AVS编码与DSP实现的视频编码器
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关键词 AVS编码DSP视频编码器
引 言
随着数字视频技术的发展，近年来世界上出现了许多数字音视频压缩标准。AVS(Audio Vicleo Coding Stand-ard)是我国自主制定，拥有自主知识产权的音视频编码标准。与世界其他知名音视频编码标准相比，它具有如下特点：①性能高，编码效率比MPEG2高2倍以上，与H．264的编码效率相当；②算法复杂度比H．264低；③软硬件实现成本都低于H．264；④专利授权模式简单，费用明显低于同类标准。在码率和PSNR相当的情况下，AVS的编码速度是H.264的4倍以上。
AVS视频标准采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换和量化、熵编码等。帧问预测使用基于块的运动矢量消除图像闻的冗余；帧内预测使用空间预测模式消除图像内的冗余；再通过对预测残差进行变换和量化消除图像内的视觉冗余；最后，运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数用熵编码进行压缩，以消除编码码字冗余。
DSP的实现是AVS硬件应用的一个重要领域，而实时性则是一个重要要求；但由于标准提出的时间短，所以DSP实现的实例很少，能将AV5算法在DSP上实现，对AVS的发展有很大的意义。另外，具有强大处理能力的DSP非常适合应用在通信和图像处理领域。
本系统选用TI公司最新推出的数字媒体处理器TMS320DM6446(简称“DM6446”)，其主频高达594MHz，具有丰富的专为多媒体运算优化的指令集，包括可简化设计并能降低系统成本的集成多媒体与通信外设。片上集成的基于ARM9的ARM926EJ-S核(主频高达297 MHz)，丰富的媒体、外设接口，为AVS视频编解码方案提供了很好的硬件基础。
1 系统硬件设计
本系统是基于DSP的视频监控系统，通过DSP对CCD摄像头获取的YUV 4：2：0信号进行实时处理，将压缩后的数据流通过以太网接口发送到监控室。
数据压缩单元主要由DSP和SDRAM实现。系统硬件结构框图如图l所示。
DM6446增加了很多外围设备及接口。例如：
◇视频处理子系统VPSS(Video Processing Subsystem)，其中包含CCD设备接口；
◇扩展内存接口EMIF(External Memory Inter-faces)；
◇FPGA接口(VLYNQ Interface)；
◇以太网接口1O／100Mbps EMAC(Ethernet MAC)。
视频信号采集进来之后，采用EDMA方式进行数据搬移；搬移到缓存(cache)中后，DM6446便对数据进行压缩处理。图2为该系统的软件流程图。
缓存完l帧后，DSP便通过EDMA读取数据，并对数据进行压缩处理，结果通过EDMA存储在SDRAM中。当DSP处理完1帧之后，通知主机读取数据；主机接到通知后，通过以太网以EDMA形式将压缩数据读到主机内存中并保存在硬盘里。在监控主机上安装有AVS解码器客户端，还可以在主机上对传输的数据进行实时播放。上述过程循环执行。在执行过程中可以根据视频码率自动调节有关参数。
2 系统软件设计
2．1 AVS视频压缩原理
该系统采用AVS视频标准，原理框图如图3所示。
在AVS视频标准中，所有宏块都要进行帧内预测或帧间预测。预测残差需要进行8×8离散余弦变换(DCT)和量化，然后对量化系数进行扫描，得到一维排列的量化系数，最后对量化系数进行熵编码。AVS使用环路滤波器对重建图像滤波，优点在于：一方面可以消除方块效应．改善重建图像的主观质量；另一方面能够提高编码效率。滤波强度可以自适应调整。
2．2 AVS的主要技术
(1)变换和量化
考虑到编码性能、实现复杂度、AVS视频标准的主要应用等多方面因素，AVS视频标准最终选择了8×8离散余弦变换。在AVS中，采用带PIT(Pre-Scaled Integer Transform)的8x8整数余弦变换技术，即正向缩放、量化、反向缩放结合在一起，而解码端只进行反量化，不再需要反向缩放。AVS的8×8变换量化可在16位精度上无失配地实现。
对于PC机，一般将DCT中大量的乘加运算使用加法和移位来实现。但就本系统的TMS32013M6446而言，乘加可以通过合理安排流水线而在一个周期内完成，完全没有必要也不应该为了减少乘法而使用大量的加法和移位运算。而对于2的整次幂的乘法还是应使用移位来实现，因为移位运算比乘法运算的功耗要低。
(2)帧内预测
AVS视频标准使用帧内预测技术来提高帧内编码宏块的编码效率，预测时使用当前块的左边块和上边块中的相邻像素作为参考像素。AVS视频标准的帧内预测以8×8亮度块和色度块为单位，定义了5种8×8亮度块预测模式和4种8×8色度块预测模式(参见表1和图4)，大大简化了帧内预测。
(3)帧间预测
AVS支持P帧和B帧两种帧间预测图像。P帧至多采用2个前向参考帧，可在不增加缓冲区大小的前提下提高编码效率；B帧采用前后各一个参考帧。
AVS视频标准中运动补偿块的大小包括16×16、16×8、8×16、8×8等。运动矢量的精度为1／4像素，为得到非整数样本，需要进行插值运算。AVS视频标准定义了2个4抽头FIR滤波器，分别用于l／2和1／4亮度样本的插值。与H．264使用的6抽头FIR滤波器相比，AVS视频标准的滤波器实现复杂度较低。
(4)环路滤波
基于块的视频编码很容易造成方块效应，特别是在低码率的情况下。AVS视频标准定义了自适应环路滤波器来消除方块效应，改善重建图像的主观质量，同时可提高编码效率。环路滤波是对亮度块和色度块的边界进行的。滤波时首先对块的水平边界滤波，然后再对块的垂直边界滤波。滤波强度由宏块编码模式、量化参数和运动矢量等决定。H．264的环路滤波器滤波时使用边界左右各4个像素，而AVS视频标准只使用左右各3个像素，实现复杂度低于H.264的环路滤波器。AVS视频标准使用的环路滤波器也更有利于DSP的并行实现。
(5)熵编码
AVS视频标准使用k阶(k=O～3)指数哥伦布码。CBP、宏块模式和运动矢最等用0阶指数哥伦布码编码。量化系数使用全部4种指数哥伦布码，采用2D-VLC编码方法，对量化系数的(run、level)进行编码。指数哥伦布码的码字结构非常规则，解码器不需要存储码表。量化系数使用的19张映射表所需的存储空间小于2 KB。视频标准还定义了新的ESCAPE编码方法，能够获得O．05～O．08 dB的编码增益。
2．3 程序在DSP上的优化
本系统压缩部分程序以AVS参考代码rm52f为编码部分的源代码基础，针对AVS编码算法和DSP的特点对其结构和算法进行了调整和改进。对程序作如下优化：
①合理设置结构体和变量类型。经常用到的数组变量不放到结构体中，否则要进行双级寻址，降低效率；对变最长度进行合理定义，严格合理区分8位、16位、32位的变量分配，能用小的则不用大的。(注意：在循环体中，循环计数变量应一律使用int型，即船位，而不要使用short型)
②循环展开。过多过深的循环不利于编译器做软件流水优化，影响DSP并行处理，因此根据DSP特性适当拆开内循环，可以使DSP在一个周期内执行多条指令。优化循环较好的方法是抽出循环作为单独文件，对其重新编写、编译和单独执行。由于内层循环是惟一可以进行软件流水的循环，所以应该注意以下问题(否则会使循环不能进行软件流水，严重影响性能)：①可以包括内联函数，但不可包括函数调用；②不可有条件终止、提前退出指令；③必须递减计数且在O时终止(可用-o2、-o3自动转换)；④不可在循环体中修改循环计数值。
③使用EEMA方式进行数据搬移，这在CPU频繁访问外部存储器数据时能大大节省CPU资源。其主要实现了下列数据传输：视频数据从片外存储器传到片内Cache中；编码数据从片内传输到片外保存；做运动补偿时，将片外对应的参考块数据传输到片内。
④使用内联函数和线性汇编。DSP提供了许多非常有用的内联函数(Intrinsics)，使用这些内联函数可以很大程度地提高程序运行速度。对于耗时最多的运动估计和DCT变换部分进行线性汇编能大大提高程序的执行效率。使用线性汇编和标准汇编相比，不必考虑并行指令安排、指令延迟、寄存器使用和功能单元的使用，可以大大缩短编写代码的时间，且效率远远高于C程序。
⑤利用编译选顶。可以通过参数-o3的设置进行最高级别的软件流水线优化；可以通过参数-mt告诉编译器源程序没有使用混叠技术，以此提高编译器优化的效果；可以通过参数-pm的设置，使编译器对程序级代码进行优化。使用C64xx型DSP时，应使用-mv6400编译选项，以便对此类DSP进行更高级别的优化。
⑥利用快速算法。AVS编码器中，运动估计耗时相当大。优化运动估计的搜索次序，采用自适应的搜索策略可以较大地提高运动估计的速度，比如使用FastME来进行优化。另外在1／4像素插值方面也可进行一些调整，以避免重复计算。
3 总结
本系统很好地实现了对视频数据的实时压缩处理及传输，能够实现图像数据读写、内存读写、SDRAM读写、配置空间读写和寄存器读写操作，同时协调几种操作实现图像数据的AVS压缩。本系统能够完成4路CIF格式(352×288)视频的实时编码，且有预留资源可供性能扩展。以CIF格式测试序序bus为例，本系统压缩的结果：当设置QP为36时，码率为952．77 kbps，SNRY(亮度信号的信噪比)为30．80 dB，编码速度为36 fps。从结果中可以看出，对于视频监控系统，PSNR(峰值信噪比)指标较理想，编码速度也满足了实时的要求。随着AVS视频编码技术的不断完善，该系统可以很容易地进行升级，将在电视会议等领域得到广泛应用，具有很大的发展潜力。
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