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        DSP H.264編碼器的電路設計

        作者: 時間:2016-09-12 來源:網絡 收藏

        3.3 代碼優化

        純C版本的X264程序并沒有利用DM6446的資源和并行機制,代碼運行速度極低。因此必須對代碼進行優化,提高處理性能。X264代碼優化有以下3個層次:項目級優化、算法級優化和指令級優化:

        (1)項目級優化項目級優化主要是對CCS提供的各種編譯參數進行選擇、搭配、調整,如本文使用的選項-o3、-pm等;利用CCS編譯器提供的優化功能,改善循環及多重循環體性能,進行軟件流水,提高軟件的并行性;改寫不適合編譯器優化的語句,使CCS能夠對程序進行更好的優化。

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        (2)算法級優化進行算法級優化時。應使VC環境下的純C版本與CCS下的版本同步更新,VC版本運行正確,既可以保證算法理論上的正確,又可以加快工作速度并減少問題的產生。該算法優化工作主要有以下幾點:①運動估算法的選擇:X264提供3種可選的整像素運動估算法:X264_ME_ESA(全搜索法)、X264_ME_HEX(六邊形搜索法)、X264_ME_DIA(小菱形搜索法)。在VC環境下使用純C版本代碼對同一視頻序列使用3種不同的搜索方法進行編碼。對比3種搜索方法在編碼速度、峰值信噪比(PSNR)、碼率方面的性能。對比之下 X264_ME_ESA算法的峰值信噪比最高,X264_ME_HEX次之,X264_ME_DIA最低,但相互之間的質量差別并不大,碼率差別也很小,但編碼速度卻有明顯差距,X264_ME_DIA較前兩者在編碼速度上有明顯的優勢。經比較,選擇使用X264_ME_DIA運動估計算法。②幀內預測模式的改進:在X264的幀內預測流程中加入提前終止模式選擇的條件,改進算法的流程。進行16×16宏塊幀內模式搜索時,在當前模式的開銷小于已搜索過的模式的最小開銷的一半時,終止16×16幀內預測模式選擇,以當前模式為最佳16×16幀內預測模式。對4×4塊也加入相同的條件,并且若當前4×4塊幀內預測模式的預測開銷比相應的最佳16×16塊幀內預測模式的開銷的1/16還要小,則終止4×4塊的幀內預測模式選擇,以當前預測模式作為最佳4×4塊的幀內預測模式。改進后的幀內預測主體流程如圖3所示,灰色部分為加入的判定條件。

        幀間預測模式的改進:將當前的16×16宏塊劃分為4個8×8宏塊,分別預測其運動矢量,然后以左右相鄰、上下相鄰的2個8×8塊的運動矢量的差值和閾值相比較為依據,判定是否進行16×8、8×16等分塊模式的預測,最后選擇開銷最小的劃分模式為最佳幀間劃分模式。

        (3)指令級優化 DM6446一個時鐘周期內可并行運行8條指令,一次可存取64位數據,內部擁有64個32位通用寄存器,并且支持對寄存器中的4個8位字節或2個16位字節分別進行運算處理,這些使得DM6446具有很強的并行運算能力。視頻圖像的像素尺寸一般是4的倍數,X264中像素的值是用8位或16位數據按矩陣形式有規律的存儲,這種數據存儲結構與DM6446的并行處理方式很契合。因此對X264程序進行指令優化充分發揮DM6446的并行運算能力,是提高速度的關鍵。主要分為以下兩部分:①使用內聯函數優化;C6000編譯器提供了許多內聯函數intrinsics,它們是匯編指令映射的在線函數,不宜用C語言實現其功能的匯編指令都有對應的intrinsics函數。這樣就可在C語言結構中直接使用內聯函數實現對多個數據的并行運算操作。如:未使用內聯函數優化前X264程序調用一次雙線性內插函數只能計算一個亞像素點的值,而使用內聯函數_mem4()、_avgu4()等進行優化后,一次可以計算4個亞像素點的值,大大提高了運算速度。②使用線性匯編語言優化:由于線性匯編不需要考慮寄存器分配、指令延遲、并行指令安排等因素。因此可以利用 CCS提供的profile分析工具將使用頻率高、耗時多的函數抽取出來,根據事先已知的數據間的相關性等信息,在程序中直接改寫函數匯編,人工優化。涉及的算法有:SAD、SSD的計算;DCT變換;反DCT變換、亞像素搜索等。

        4 實驗結果

        選取具有代表性的視頻序列carphone(人物運動幅度較大)、news(背景變化,人物運動幅度不大)、container(背景簡單,景物運動緩慢)進行編碼。視頻為YUV 4:2:0格式.QCIF,量化步長定為26,共50幀,采用IPPP…編碼模式。DM6446的時鐘頻率為600 MHz。表1為優化前后編碼時鐘周期對比,I幀編碼速度平均提高了9倍,P幀編碼速度平均提高了11倍。

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        以視頻Miss-America為例,研究、對比移植優化后的在不同的量化步長值(QP)下,圖像的壓縮質量,如圖4所示。

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        5 結論

        移植優化后的X264編碼器在CCS環境下可正確編碼,在量化步長值26下編碼圖像質量較高,優化后編碼速度較優化前有明顯提升。介紹的H.264視頻編碼系統的硬件設計,和X264編碼器針對DM6446平臺移植、優化的思路和方法,對構建高效的視頻應用平臺具有一定的參考價值。


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        關鍵詞: DSP H.264 編碼器 電路

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