一种H.264编码器的设计和实现

　　H.264／AVC是ITU-T VCEG和ISO／IEC MPEG联合制定的视频编码国际标准，是目前图像通信研究领域的热点技术之一。H.264的视频编码层（VCL）采用了许多新技术，因而使其编码性能有了大幅度提高。但这是以复杂度的成倍增加为代价的，这也使得H.264在实时视频编码及传输应用中面临着巨大的挑战。因此，要满足图像压缩的实时性要求，就需要对现有的H.264编解码器进行优化。本文主要讨论H.264系统的硬件平台和任务流程，并针对基于DSP硬件平台的特点，介绍了从代码级对算法进行优化，进一步提高编码算法的运算速度，实现H.264实时编码的具体方法。由于ADI Blackfin561是AD公司推出的一款高性能的数字信号处理器，它具有600MHz的主频。为此，本文选择其作为硬件平台，来探索在资源有限的DSP平台上实现H.264编码器的有效途径。

　　1 BF561介绍

　　BF561采用了对称双核的架构，在一颗BF561芯片内部集成了2个BF533 DSP内核，2个内核主频都可以高达600 MHz，支持并行处理。BF561处理器的特性保证了其强大的数字信号处理能力，并且支持低电压低电流供电，能够满足多功能的数字消费类产品对于性能、功耗方面的要求。

　　1.1 DMA介绍

　　Blackfin处理器用直接存储器访问(DMA)在存储器之间或存储器与外设之间传送数据。DMA控制器可在存储器和片上外设(外设DMA)之间进行数据传送，以及在L1／L2／L3存储器间进行数据传送(存储器DMA或MDMA)。DMA控制器是Blackfin处理器架构中的重要组件，完全独立于内核，不会进行周期挪用，完全无需占用处理器内核周期。在理想的应用配置中，内核只需要设置DMA控制器，并在数据调用过程中响应中断。

　　BF561有3个独立的DMA控制器DMA1，DMA2和IMDMA。DMA1和DMA2控制器各有12个外设DMA通道和4个存储器DMA通道。IMDMA控制器有4个存储器DMA通道。

　　1.2 基于描述符的DMA

　　基于描述符的DMA传送需要存储于存储器中的参数来初始化一个DMA队列。描述符包括所有需对DMA控制寄存器正常编程的参数。描述符允许把多个DMA队列链接在一起。在基于描述符的DMA操作中，可以对一个DMA通道编程，以便在当前传送队列完成后，自动设置和启动其他DMA传送过程。在管理一个系统的DMA传送过程时，基于描述符的模型能提供的灵活性。

　　描述符列表模型分为描述符列表“小”模式和描述符列表“大”模式。在描述符列表“小”模式中，描述段包括一个16位字段，用以指向下一描述符入口地址的低16位，地址的高16位通过寄存器编程得到且保持不变，限制描述符在存储器的一个特定64 KB大小的页中。当描述符需要跨页时，可用能提供32位入口地址的描述符列表“大”模式。

　　2 H．264视频编码器构成

　　H．264编码器由视频采集、数据格式转换、H.264编码3部分组成。视频采集部分负责捕获图像，并且将捕获到的图像通过PPI接口填充到指定的视频帧缓冲区中。数据格式转换部分完成将输入的4：2：2格式的图像转换成H-264编码器能够编码的4：2：0格式的数据。H.264编码部分负责对4：2：0格式图像编码。

　　2.1 视频采集

　　视频采集是由摄像头OV7660完成，OV7660是美国OmniVision公司开发的一款CMOS彩色图像传感器芯片，支持VGA，QVGA，GIF等多种分辨率。视频输出格式有Raw RGB，GRB 4：2：2和YUV/YCb-Cr(4：2：2)。在本设计中，选择CIF YVYU(4：2：2)格式，需要设置其相应寄存器COMl＝0X00，CLKRC＝OX80，COM7＝0X30，TSLB＝0X05。摄像头配置完后，打开PPIO将视频数据填充到Blackfin处理器的视频帧缓冲区中。采用基于描述符的PPI DMA可以很容易的实现乒乓缓冲，从而确保不会覆盖尚未处理完毕的输入数据。

　　乒乓缓冲的原理如图1所示。

　　设置两个CIF 4：2：2帧大小的输入缓冲区，首先输入数据通过PPI接口填充到4：2：2视频帧1中，当帧数据填充满时，处理器对这帧数据进行MDMA搬移和压缩编码等操作，与此同时，PPI继续填充第二个视频帧。当第二个视频帧填充满时，处理器处理第二个视频帧同时填充个视频帧。利用乒乓缓冲，数据将源源不断地填充到两个视频帧中。

　　2.2 数据格式转换

　　视频采集到的图像是交织的4：2：2格式的YUV视频数据，而H.264视频编码算法对4：2：O格式的视频数据进行压缩。4：2：O格式数据的亮度值缓冲区和色度值缓冲区是分离的，利用MDMA搬移，可以实现亮度缓冲区和色度缓冲区的分离。

　　CIF YVYU(4：2：2)格式数据如表1所示，CIF 4：2：O格式数据如表2所示。4：2：2格式图像一个宏像素中有4个Y分量，2个U分量和2个V分量[8]。4：2：0格式图像一个宏像素中有4个Y分量，1个U分量和1个V分量。Y，U和V的存储区是分开的，Y在前，然后是U，是V。

　　把4：2：2格式转换成4：2：O格式，要保留所有的Y，并取第0，2，4，……行的U和第1，3，5……行的V。采用基于描述符列表“大”模式的MDMA，需要三对描述符source_y，dest_y，SOurce_u,dest_u，SOUrce_v,dest_v，形成源和目的两个描述符链表，进行Y，U和V的从交织的4：2：2格式的源数据区到Y，U和V分离的目的数据区的搬移。

　　当一帧CIF 4：2：2格式数据通过PPI填充到一个Blackfin处理器的视频帧缓冲区中，产生中断，在中断处理子程序中启动MDMA，分离亮度值和色度值，然后交给H．264编码器进行编码。

　　2．3 H．264编码

　　等待产生一帧4：2：O格式数据后，对这一帧数据执行H．264编码，之后继续等待4：2：0格式数据的产生，直至编码结束。

　　3 实验结果与分析

　　实验中，H.264编码器对摄像头采集到的图像编码，并将压缩码流以文件的形式保存在本地存储器中。编码结束后，用H．264的解码器对压缩码流解码，用YUVviewerPlus.exe播放解码后的视频文件。

　　实验中，编码器可达到每秒钟编码15帧图像的速度。解码后的图像清晰度与在VisualDsp++5.0中用Image Viewer查看的相比，图像质量基本相同，图像很清晰。OV7660采集图像的速度是每秒钟30帧，H.264编码器没有达到实时编码。

　　实验中，基于BF561的H.264编码器没有达到实时编码的原因是没有对H.264开源代码优化。由于CIF格式图像数据比较大，需要存储在外部存储器中，处理器访问外部存储器时间比较长；DCT和运动估计算法函数比较耗时，用C语言实现；程序中有一些辅助函数和打印信息等，从而影响了编码器的速度口。

　　4 结 语

　　经过用ADSP-BF561汇编语言改写的对应函数的优化程序经调试运行后，DCT，IDCT部分效率提高了大约15倍，去块滤波部分效率提高了大约6～7倍。对于模块中的其它部分函数，也同样取得了良好的优化结果。说明其优化工作确实达到了良好的效果。

　　随着消费类电子产品进一步进入普通家庭，应用H.264标准的视频会议、可视电话以及无人监控系统等也将会得到越来越广泛的应用。