??? 摘? 要： 分析了ARM7處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對解碼器的優(yōu)化特點(diǎn)和芯片的硬件結(jié)構(gòu)，采用了算法級、語言級、ARM級聯(lián)合優(yōu)化的方法，對標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4解碼過程進(jìn)行了優(yōu)化。通過本文所總結(jié)的ARM7TDMI上視頻解碼的優(yōu)化方法，可以使MPEG4視頻解碼節(jié)約大量的數(shù)據(jù)處理時間，能較好地滿足低分辨率、低幀率場合實(shí)時解碼的要求。?

????關(guān)鍵詞： ARM7；MPEG-4；視頻解碼器

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??? 目前，手持設(shè)備的視頻播放非常流行。一直以來，圖像壓縮大都采用H.263壓縮算法，然而，由于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的成熟，很多視頻圖像都已經(jīng)采用MPEG-4算法進(jìn)行壓縮。本文旨在研究基于ARM7微處理器的MPEG-4視頻解碼器的優(yōu)化。利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPEG-4視頻解碼，處理器的選擇是關(guān)鍵。在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，因?yàn)樗哂畜w積小、功耗低、成本低、性價比高的特點(diǎn)，這對于移動應(yīng)用領(lǐng)域非常重要。ARM7系列微處理器為低功耗的32位處理器，最適合于對價位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用^[1]。本解碼器可以運(yùn)用于低分辨率和低幀率的應(yīng)用場合，因此選擇在ARM7TDMI核上實(shí)現(xiàn)解碼功能。要實(shí)現(xiàn)更高幀率和分辨率的解碼，可將軟件直接應(yīng)用在更高端的處理器上。?

1 MPEG-4視頻解碼算法?

??? MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為一套子標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的每一部分都有各自最適合的應(yīng)用場合。MPEG-4 SVP(Simple Visual Profile^[2])就是一種特殊的、簡單的MPEG-4實(shí)現(xiàn)。其專門針對手持式產(chǎn)品中視頻傳輸應(yīng)用場合制定的。由于本解碼器可應(yīng)用在手持移動設(shè)備視頻解碼的場合，因此選用MPEG-4 SVP作為解碼算法。?

??? 本文選用ARM7TDMI作為核心處理器進(jìn)行MPEG-4視頻解碼器的開發(fā)。在實(shí)際開發(fā)過程中，針對ARM7TDMI的結(jié)構(gòu)和MPEG-4的算法特點(diǎn)，做了大量優(yōu)化工作，保證了解碼精度，大幅度提高了解碼速度。嚴(yán)格來說，ARM7處理能力有限，更適合用于控制類型的應(yīng)用。由于其沒有針對視頻解碼數(shù)據(jù)處理而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而不太適合于視頻解碼等數(shù)據(jù)處理類應(yīng)用。但是由于該芯片具有明顯的成本優(yōu)勢，所以經(jīng)過優(yōu)化，在充分利用其性能的前提下，還是可以作為手機(jī)等嵌入式系統(tǒng)的視頻解碼應(yīng)用。?

??? 解碼過程實(shí)際上就是從視頻編碼碼流中恢復(fù)出VOP數(shù)據(jù)的過程。圖1描述了一個視頻解碼過程。解碼器主要包含運(yùn)動解碼和紋理解碼。I幀中只含有紋理信息，因此只須解碼紋理信息即可恢復(fù)I幀。而P幀中不僅包含紋理信息，還包含運(yùn)動信息，所以須解碼運(yùn)動信息，獲得運(yùn)動矢量并進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。另外，還須進(jìn)行紋理解碼獲得殘差值，將這兩部分組合起來才能重建P幀^[3]。?

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??? 解碼器的實(shí)現(xiàn)主要是提供一個簡單的接口函數(shù)，供解碼時調(diào)用。該接口函數(shù)根據(jù)解碼的不同需要和不同階段提供了5個入口。5個接口函數(shù)中，有 4個供初始化、預(yù)處理及后續(xù)處理時調(diào)用，剩余1個是幀解碼的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。圖2為幀解碼主程序流程圖。?

??? 解碼過程的計(jì)算主要集中在如下幾個模塊：IDCT、運(yùn)動補(bǔ)償MC、逆量化、逆掃描、逆預(yù)測以及變長解碼VLD。表1給出了優(yōu)化前解碼過程的特征信息。從表1中可以看出，上述運(yùn)算模塊在解碼過程中占有很大比例。對以上各模塊進(jìn)行優(yōu)化的效果將直接反映在解碼器的實(shí)時效率上。?

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2 解碼器優(yōu)化?

2.1 效率更高的IDCT變換?

??? 通常，MPEG－4編碼過程中有8×8塊在DCT變換后AC系數(shù)大都接近于零，經(jīng)過量化后直接變成了零。同時根據(jù)幀間預(yù)測的相關(guān)性：在運(yùn)動不是非常劇烈的情況下，量化后大部分DCT相關(guān)性是零。表2顯示了在快速運(yùn)動和慢速運(yùn)動序列下所有全零塊的百分比。?

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??? 對于快速運(yùn)動序列，大約25％的DCT塊是全零；對于慢速運(yùn)動序列，全零塊的百分比大約47％^[4]。這樣，可以把DCT塊分為不同的三類：一類是全零塊(DC系數(shù)和AC系數(shù)都是零)，一類是只含有DC系數(shù)(AC系數(shù)是零)，一類是含有DC系數(shù)和AC系數(shù)，如圖3所示(這里用4×4的塊舉例，D代表DC系數(shù)，A表示AC系數(shù))。對于不同的IDCT進(jìn)行不同的處理：對于第一類情況，全零塊，跳過反變換；對于第二類情況，只進(jìn)行反DC變換，通常除以8，即移3位即可；對于非零AC系數(shù)塊，按照快速的IDCT處理。這樣就可以針對不同的情況采用不同的處理辦法，提高了解碼效率。?

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2.2 效率更高的運(yùn)動補(bǔ)償?

2.2.1 運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)邊?

??? MPEG-4在進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償時，使用運(yùn)動向量在參考圖像中尋找預(yù)測塊。如果運(yùn)動向量變化比較快，則運(yùn)動向量很可能指向參考圖像以外。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)框架中，采用了很多分支判斷語句來處理運(yùn)動向量指向參考圖像以外的情況。一方面IF語句的判斷會降低程序的效率，造成解碼過程速度的下降；另一方面如果運(yùn)動向量沒有指向參考圖像以外，IF判斷就顯得多余。為了提高解碼效率，可以采用參考幀擴(kuò)邊的方式來解決。將參考圖像的邊界擴(kuò)大部分全部置零，這樣就可以減少很多判斷語句，提高解碼效率。在實(shí)際中，運(yùn)動向量的有效范圍很大，但當(dāng)運(yùn)動向量使計(jì)算一個預(yù)測塊所需的像素完全處于參考圖像以外時，則不論運(yùn)動向量的水平分量或者垂直分量延伸多遠(yuǎn)，所得到的預(yù)測塊都是相同的。而運(yùn)動補(bǔ)償既可以基于塊(8×8)的，也可以基于宏塊(16×16)的，因此將擴(kuò)展的字節(jié)數(shù)取為16就可以了。同時將運(yùn)動向量的兩個分量分別裁剪到不超過參考圖像左邊和上邊的邊界8 B以及下邊和右邊的邊界2 B。擴(kuò)展后的參考圖像見圖4。?

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2.2.2 雙線性插值的改進(jìn)?

??? MEPG-4解碼算法中，運(yùn)動補(bǔ)償是以宏塊為單位進(jìn)行的。最初的做法基于參考圖像采用雙線性插值，見圖5。?

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??? 對這一做法進(jìn)行如下改進(jìn)：對宏塊的運(yùn)動補(bǔ)償是根據(jù)獲得運(yùn)動矢量進(jìn)行不同的判斷，而不是固定采用雙線性插值的算法。運(yùn)動補(bǔ)償根據(jù)從解碼數(shù)據(jù)中獲得的水平運(yùn)動矢量MV_X和垂直運(yùn)動矢量MV_Y進(jìn)行，即根據(jù)MV_X和MV_Y最低位為0或1的情況分為：只進(jìn)行直接復(fù)制相應(yīng)數(shù)據(jù)；只進(jìn)行垂直方向插值；只進(jìn)行水平方向插值；進(jìn)行雙線性插值。具體做法如下：?

??? 當(dāng)MV_X和MV_Y的最低位都為零時，運(yùn)動矢量指向的16×16的塊本身與緩沖區(qū)中的像素重合，這時不需要進(jìn)行任何插值處理，直接復(fù)制相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)MV_X最低位為零而MV_Y的最低位不為零時，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在某列兩相鄰像素的中間，這時只需要進(jìn)行垂直方向的插值。當(dāng)MV_X最低位不為零而MV_Y的最低位為零時，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在某行兩相鄰像素的中間，這時只需要進(jìn)行水平方向的插值。當(dāng)MV_X與MV_Y的最低位均不為零時，運(yùn)動矢量指向的8×8的塊的點(diǎn)落在相鄰四個像素的中心，這時必須同時進(jìn)行兩個方向的插值。由于相鄰幀之間具有很大的時間相關(guān)性，所以本幀和上一幀大部分?jǐn)?shù)據(jù)是相同的。假設(shè)上面4種運(yùn)動補(bǔ)償情形各占1/4，當(dāng)進(jìn)行水平或垂直插值時，運(yùn)動補(bǔ)償所占的運(yùn)算量僅為原來的雙線性插值的1/2，比雙線性插值約節(jié)省一半的計(jì)算量，從而大大節(jié)省了運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臅r間。?

2.2.3 像素的并行處理?

??? 解碼過程中處理的像素是8位，如果運(yùn)動補(bǔ)償是在字節(jié)或像素的基礎(chǔ)上執(zhí)行，則字節(jié)加載和存儲將被使用，它是存儲器訪問中代價最高的操作。因?yàn)锳RM7是32位微處理器，存儲器可以按字讀取數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)出一種有效的運(yùn)動補(bǔ)償方法，即在字?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。利用這種方法，便可以用一種非常有效的方式同時對四像素進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。下面以水平方向的半像素補(bǔ)償為例，講述補(bǔ)償?shù)倪^程。?

??? 首先讀入一個字到寄存器中，從低到高的數(shù)據(jù)依次對應(yīng)像素0、像素1、像素2和像素3；然后將讀碼流指針增加1字節(jié)，再讀取下一個字到另一寄存器中，從低到高的數(shù)據(jù)依次對應(yīng)的為像素1、像素2、像素3和像素4。示意圖如圖6所示。?

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??? 對于垂直方向和水平垂直方向的半像素補(bǔ)償，其原理與水平方向相同。在具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，由解碼數(shù)據(jù)獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的運(yùn)動矢量，根據(jù)獲得的運(yùn)動矢量得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊在參考幀的具體位置，從而得到運(yùn)動補(bǔ)償所需要的參考數(shù)據(jù)塊。參考數(shù)據(jù)拷貝到片內(nèi)。運(yùn)動補(bǔ)償在片內(nèi)實(shí)行，按照字讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)情況采用不同的半像素插值，提高了程序的執(zhí)行效率。?

2.3 VLD優(yōu)化?

??? 由于MPEG-4變長編碼中的碼字長度是不定的，而解碼器的輸入是連續(xù)的比特流，碼字之間沒有間隔符，所以VLC(Variable Length Coding)碼表必須判斷碼字的長度。在通常情況下，VLD(Variable Length Decoding)解碼是通過不斷搜索和判斷得到碼字和碼長，故解碼的時間因碼長而異。對于實(shí)時處理來說，若該部分計(jì)算量過大，將影響整個系統(tǒng)的處理速度。原始查表方法涉及到多次讀取和判斷，計(jì)算量較大^[5]。另外，信源符號內(nèi)容不同，對應(yīng)碼長也不同，造成查表判斷耗費(fèi)的時間差別很大?？梢圆捎没诜纸M的辦法，根據(jù)碼字編碼位的不同劃分為多個碼表，將碼字按照不同的區(qū)域進(jìn)行劃分。這樣，不斷的搜索判斷可以簡化為三個步驟：(1)讀入定長碼字；(2)通過對讀入數(shù)據(jù)大小的判斷確定讀入的符號應(yīng)屬于哪一個查找表；(3)利用得到的碼字在查找表中直接獲得其對應(yīng)的信息。因每個分組包含的符號較少，所以可在取出分組信息后，從剩下的信息位中直接得到符號在表中對應(yīng)的位置。?

??? 經(jīng)分組后，解碼過程簡化為(按最大碼字長度讀入數(shù)據(jù)，以8位數(shù)據(jù)為例，設(shè)分成碼長小于3的小碼表和碼長大于3的大碼表)：?

??? (1)對讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行大小判斷。因分組時考慮到數(shù)據(jù)大小判斷的簡便性，可用移位代替。?

??? (2)數(shù)據(jù)大小的比較。右移5位，判斷是否為0。如果為0，則符號落在碼長小碼表中；否則，符號落在大碼表中。?

??? (3)若符號落在小碼表中，以右移5位的讀入數(shù)據(jù)作為相對地址，直接在小碼表中找到對應(yīng)非零系數(shù)個數(shù)和正/負(fù)個數(shù)及碼長。若符號落在大碼表中，則直接以讀入的數(shù)據(jù)為相對地址，在大碼表中找到相應(yīng)的信息。?

??? 無法預(yù)見的反復(fù)讀取和判斷，經(jīng)過基于分組的解碼優(yōu)化簡化成上述三個可預(yù)見的步驟，減少了判斷次數(shù)，加快了處理時間。?

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析?

　　通過優(yōu)化，MPEG－4的解碼性能有了較大的提升。在ADS1.2環(huán)境下分別對各模塊進(jìn)行C算法優(yōu)化和ARM代碼優(yōu)化，結(jié)果如表3。按調(diào)用一次模塊函數(shù)所需周期數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。?

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??? 這些模塊是解碼過程中經(jīng)常會調(diào)用的函數(shù)，因此，這些函數(shù)的優(yōu)化將使解碼速度有明顯提高。?

??? 表4比較了不同序列的15幀QCIF格式視頻解碼優(yōu)化前后所需的帶寬。這些圖像具有不同的復(fù)雜度，因而結(jié)果也不一樣。

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??? 解碼速度基本取決于圖像畫面的運(yùn)動情況和顏色是否豐富。從上面的數(shù)據(jù)可以看出對于不同的序列，其解碼速度也不同。news、salesman和miss_am之所以很快，是因?yàn)閳D像背景靜止，只有肩部和頭部有運(yùn)動，因而P幀的編碼數(shù)據(jù)量較少，解碼速度較高。另外，如果圖像很簡單（單調(diào)），其能量集中到DC系數(shù)（直流分量）上，交流系數(shù)會出現(xiàn)多個零，因此變長解碼速度就會較高,從而節(jié)約了解碼時間。?

??? 通過本文所總結(jié)的ARM7TDMI上視頻解碼的優(yōu)化方法，可以使MPEG4視頻解碼節(jié)約大量的數(shù)據(jù)處理時間。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，本視頻解碼器能較好地滿足低分辨率、低幀率場合實(shí)時解碼的要求。?

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