引言
H.264是由ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）/IEC（國(guó)際電工協(xié)會(huì)）和ITU（國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）合作制定的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前正處于應(yīng)用開發(fā)階段。與以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，h.264具有更高的壓縮效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，在相同的圖像質(zhì)量下，h.264所需碼率約為MPEG.2的36％、H.263的5l％、MPEG-4的61％u-31。這些優(yōu)勢(shì)將使h.264在實(shí)時(shí)視頻通信、廣播電視、視頻存儲(chǔ)播放等領(lǐng)域中得到應(yīng)用M。伴隨著效率的提高，算法的復(fù)雜度也提高很多，因此需要研究h.264的壓縮算法和它的嵌入式應(yīng)用。
1 視頻編碼器的硬件設(shè)計(jì)
1.1 pxa255處理器的特點(diǎn)
Intel Xscale PXA255蜘是基于Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)的Intel PCA處理器，內(nèi)部采用XScale內(nèi)核構(gòu)架，頻率高達(dá)400MHz，內(nèi)核擴(kuò)充許多DSP指令極大提高了多媒體處理能力，同時(shí)了提供LCD（液晶顯示器）控制器、無(wú)線局域網(wǎng)（802.1Ib）、藍(lán)牙、高速紅外、USB等多種功能模塊。PXA255處理器還使用了BranchTargetBuffer技術(shù)，可以提高指令執(zhí)行（流水線）的效率。作為便攜移動(dòng)設(shè)備的首選嵌入式處理器，PXA255內(nèi)核具有Intel最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，可以根據(jù)處理器所執(zhí)行的任務(wù)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整工作頻率和多種節(jié)電模式，適合嵌入式視頻采集系統(tǒng)的應(yīng)用。
1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
視頻編碼器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從攝像頭輸出的原始視頻流通過USB接口進(jìn)入PXA255芯片進(jìn)行h.264壓縮，壓縮后的碼流由網(wǎng)口（ETHERNET）傳到主機(jī)進(jìn)行顯示，F(xiàn)lash中燒寫了嵌入式Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序，SDRAM用于存儲(chǔ)編碼過程中的一些臨時(shí)數(shù)據(jù)。
2 視頻采集的實(shí)現(xiàn)
Linux操作系統(tǒng)中使用vide041inux內(nèi)核模塊來進(jìn)行視頻操作的，它針對(duì)視頻設(shè)備提供了一系列的API函數(shù)。本文就是利用videAlinux提供的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)視頻采集功能的。視頻采集流程如圖2所示。
具體視頻采集的實(shí)現(xiàn)介紹如下：
先調(diào)用函數(shù)fd=open（“dcv／video",O 來打開攝像頭RDWR）設(shè)備，成功后返回?cái)z像頭的文件描述符fd。然后通過調(diào)用vi.
dco_get capability0和video_get pictureO兩個(gè)函數(shù)來獲得攝像頭和圖像的基本信息。利用ictol（fd,VIDIOCGPICT,&grab pic.ture）函數(shù)設(shè)定圖像的亮度、對(duì)比度、色度等信息。接著調(diào)用函數(shù)ictol（fd,V1DIoCMCAPTRUE，&grab 開始抓取一幀圖像，。bur）再調(diào)用函數(shù)ictol（fd，VIDIOSYNC，&grab buf）判斷這一幀圖像抓取是否結(jié)束。這樣連續(xù)的抓取多幀圖。像就完成了原始視頻信息的采集。圖3就是抓取的一幀原始圖像。
3 h.264編碼算法
h.264編碼標(biāo)準(zhǔn)是目前提出的最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。與以前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，h.264通過對(duì)幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀問預(yù)測(cè)、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)來進(jìn)一步提高編碼效率和圖像質(zhì)量。
這些改進(jìn)包括：
?。?）運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，可以靈活地選擇宏塊（MB）的大小。在宏塊劃分上，h，264采用了16x6，16x8，8x16，8x8這4種模式；當(dāng)劃分為8x8模式時(shí)，又可進(jìn)一步采用8x4，4x8，4x4這3種子宏塊劃分模式（如圖4所示）進(jìn)一步劃分，這樣做既可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確，減小運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差，又可以減小變換過程中的計(jì)算量。
?。?）1／4像素精度的運(yùn)動(dòng)估值。在h.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得l／2像素位置的預(yù)測(cè)值。當(dāng)l／2像素值獲得后，通過取整數(shù)像素位置和l／2像素位置像素值均值的方式獲得l／4像素位置的值，這樣迸一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差，減少了經(jīng)變換和量化后的非零比特?cái)?shù)，提高了編碼效率。
?。?）多參考幀運(yùn)動(dòng)估值。以往的編碼技術(shù)在對(duì)P幀（場(chǎng)）圖像進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí)，只允許以前一個(gè)I幀（場(chǎng)）圖像或P幀（場(chǎng)）圖像為參考幀。對(duì)B圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)只允許以前后兩個(gè)I幀（場(chǎng)）圖像或P幀（場(chǎng)）圖像為參考圖像。h.264則允許在ReferenceBuffer中的多個(gè)圖像中選取一個(gè)（P預(yù)測(cè)方式）或兩個(gè)（B預(yù)測(cè)方式，圖像作為參考圖像。參考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像。
（4）參考圖像的選取與其編碼方式無(wú)關(guān)。允許選取與當(dāng)前圖像更加匹配的圖像為參考圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，減小了預(yù)測(cè)誤差，提高編碼效率。
?。?）更精確的幀內(nèi)預(yù)測(cè)。在h.264中，每個(gè)4*4塊中的每個(gè)像素都可用17個(gè)最接近先前已編碼的像素的不同加權(quán)和來進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)。
?。?）環(huán)路去方塊濾波器。h.264／AVC把去方塊濾波引入運(yùn)動(dòng)估計(jì)預(yù)測(cè)環(huán)路中，既可去除方塊效應(yīng)，又能保護(hù)圖像細(xì)節(jié)邊緣，同時(shí)亦改善了圖像的主、客觀評(píng)定質(zhì)量。而且經(jīng)過濾波后的圖像根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測(cè)，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。
?。?）h.264使用統(tǒng)一的可交長(zhǎng)度編碼國(guó)Ⅵz）碼表。以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼通常采用變長(zhǎng)度的哈夫曼編碼，其碼表不統(tǒng)一，不能適應(yīng)變化多端的視頻內(nèi)容，從而影響編碼效率的提高。在此，即對(duì)h.263不同系數(shù)采用不同碼表進(jìn)行VLC作了改進(jìn)，采用了一個(gè)統(tǒng)一碼表的IrvIC，同時(shí)，又對(duì)h.26L中的VCL方法進(jìn)行了改進(jìn)，使量化后的DCT變換系數(shù)使用基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長(zhǎng)度編碼（CAⅥC），此外還定義了一種基于上下文內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（CABAC），其性能比CAVLC更好。從而，借助UVLC，CAVLC及CABAC較好地提高了壓縮編碼效率。
4 PXA255上的h.264編碼算法的實(shí)現(xiàn)
ITU-T（國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）提供了h.264的核心算法，本文使用的是開源編碼軟件x264。將其通過交叉編譯后移植到PXA255嵌入式開發(fā)平臺(tái)上。由于h.264編碼算法復(fù)雜度高、運(yùn)算量大等特點(diǎn)導(dǎo)致h.264編碼效率不高，經(jīng)初步測(cè)試編碼速率為QCIF格式圖像10幀／秒，不能達(dá)到實(shí)時(shí)視頻編碼的要求。
因此需要對(duì)編碼程序進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。
4.1 C語(yǔ)言優(yōu)化
編碼軟件包含了解碼和傳輸部分的程序，而本文只對(duì)視頻進(jìn)行編碼，并不需要解碼和傳輸。所以對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)整，刪除解碼和傳輸部分的代碼，再重新改寫makefile文件。這樣可以縮小程序的空間大小，減少程序的運(yùn)行時(shí)間，提高編碼效率。
使用盡量小的數(shù)據(jù)類型。能夠使用字符型（char）定義的變量，就不要使用整型（int）變量來定義；能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(zhǎng)整型（10ng in0，能不使用浮點(diǎn)型（float）變量就不要使用雙精度浮點(diǎn)型（doubles）變量。
程序中被多次調(diào)用的、函數(shù)體代碼不是很大的函數(shù)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)。使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以避免由于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和記憶執(zhí)行的地址所帶來的時(shí)間和空間方面的開銷，以提高程序的執(zhí)行效率。
4.2 Itrm匯編優(yōu)化
用C語(yǔ)言編程結(jié)構(gòu)化程度高，易于編寫，但執(zhí)行速度相對(duì)較慢：與之相反，匯編程序速度快，但很難有較好的結(jié)構(gòu)，而且編寫起來耗時(shí)，不易調(diào)試。C和匯編混合編程結(jié)合了各自的優(yōu)勢(shì)，往往能構(gòu)造出結(jié)構(gòu)好且執(zhí)行速度快的程序。利用匯編語(yǔ)言優(yōu)化C語(yǔ)言代碼，優(yōu)化后的匯編程序可以被C語(yǔ)言程序調(diào)用，并且在匯編程序中也可以調(diào)用C語(yǔ)言程序。
將編碼程序中的較復(fù)雜的部分程序段使用arm匯編進(jìn)行改寫，這樣可以很大程度的提高代碼的運(yùn)行速度。例如下面就是宏塊預(yù)測(cè)predict.c中的一段匯編優(yōu)化的代碼，C代碼如下：
4.3 基于PXA255結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
結(jié)合PXA255硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從以下幾個(gè)方面對(duì)h.264編碼程序進(jìn)行優(yōu)化處理：
?。?）合理分配變量的存儲(chǔ)位置。根據(jù)片內(nèi)存儲(chǔ)器容量小而存取速度快，片外存儲(chǔ)器容量大但存取速度慢的特點(diǎn)，在分配存儲(chǔ)器的時(shí)候?qū)τ谀切┙?jīng)常使用的變量放在片內(nèi)，如VLC表、運(yùn)動(dòng)矢量、反量化、反DCT的系數(shù)以及其它中間變量等，而對(duì)于那些執(zhí)行次數(shù)比較少或者比較大的變量如參考幀則放在片外。此外由于編譯和分配空間是以文件為單位的，所以把頻繁使用的函數(shù)放在同一文件中，再將這個(gè)文件放入片內(nèi)存儲(chǔ)器以高效地利用有限的片內(nèi)資源。
（2）PXA255處理器中集成了大量的DSP多媒體操作指令，使用這些指令可以極大的提高程序的運(yùn)行效率。
（3）指令并行執(zhí)行是提高程序執(zhí)行效率的很好的方法，PXA255處理器中引入了Branch Target Buffer技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行的流水線。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證程序優(yōu)化的效果，改變每次采集的幀數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。結(jié)果如表1所示。由表l中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化的h.264編碼器每秒能處理20幀左右的QCIF圖像，而圖像的質(zhì)量沒有什么影響。因此，優(yōu)化后，h.264壓縮算法能夠?qū)Σ杉降膱D像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，具有很好的實(shí)用性。圖5為采集的視頻經(jīng)過h.264壓縮后的視頻流。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文描述了在嵌入式平臺(tái)PXA255上實(shí)現(xiàn)新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)h.264編碼算法，并結(jié)合硬件芯片特點(diǎn)和專有匯編指令對(duì)原程序進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了編碼器實(shí)時(shí)編碼的要求。研究基于嵌入式平臺(tái)的h.264視頻編碼算法有很大的實(shí)用價(jià)值，它的優(yōu)異的壓縮性能也將在嵌入式數(shù)字電視廣播以及視頻實(shí)時(shí)通信等各個(gè)方面發(fā)揮作用。