引 言

　　隨著數(shù)字視頻技術的發(fā)展,，近年來世界上出現(xiàn)了許多數(shù)字音視頻壓縮標準,。AVS(Audio Vicleo Coding Stand-ard)是我國自主制定，擁有自主知識產(chǎn)權的音視頻編碼標準,。與世界其他知名音視頻編碼標準相比,，它具有如下特點：①性能高，編碼效率比MPEG2高2倍以上,，與H．264的編碼效率相當,；②算法復雜度比H．264低；③軟硬件實現(xiàn)成本都低于H．264,；④專利授權模式簡單,，費用明顯低于同類標準,。在碼率和PSNR相當?shù)那闆r下,，AVS的編碼速度是H.264的4倍以上。

　　AVS視頻標準采用了一系列技術來達到高效率的視頻編碼,，包括幀內(nèi)預測,、幀間預測、變換和量化,、熵編碼等,。幀問預測使用基于塊的運動矢量消除圖像聞的冗余,；幀內(nèi)預測使用空間預測模式消除圖像內(nèi)的冗余；再通過對預測殘差進行變換和量化消除圖像內(nèi)的視覺冗余,；最后,，運動矢量、預測模式,、量化參數(shù)和變換系數(shù)用熵編碼進行壓縮,，以消除編碼碼字冗余。

　　DSP" title="DSP">DSP的實現(xiàn)是AVS硬件應用的一個重要領域,，而實時性則是一個重要要求,；但由于標準提出的時間短，所以DSP實現(xiàn)的實例很少,，能將AV5算法在DSP上實現(xiàn),，對AVS的發(fā)展有很大的意義。另外,，具有強大處理能力的DSP非常適合應用在通信和圖像處理領域,。

　　本系統(tǒng)選用TI公司最新推出的數(shù)字媒體處理器TMS320DM6446(簡稱“DM6446”)，其主頻高達594MHz,，具有豐富的專為多媒體運算優(yōu)化的指令集,，包括可簡化設計并能降低系統(tǒng)成本的集成多媒體與通信外設。片上集成的基于ARM9的ARM926EJ-S核(主頻高達297 MHz),，豐富的媒體,、外設接口，為AVS視頻編解碼方案提供了很好的硬件基礎,。

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)是基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng),，通過DSP對CCD攝像頭獲取的YUV 4：2：0信號進行實時處理，將壓縮后的數(shù)據(jù)流通過以太網(wǎng)接口發(fā)送到監(jiān)控室,。

　　數(shù)據(jù)壓縮單元主要由DSP和SDRAM" title="SDRAM">SDRAM實現(xiàn),。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖l所示。
 

　　DM6446增加了很多外圍設備及接口,。例如：

　　◇視頻處理子系統(tǒng)VPSS(Video Processing Subsystem),，其中包含CCD設備接口；

　　◇擴展內(nèi)存接口EMIF(External Memory Inter-faces),；

　　◇FPGA接口(VLYNQ Interface),；

　　◇以太網(wǎng)接口1O／100Mbps EMAC(Ethernet MAC)。

　　視頻信號采集進來之后,，采用EDMA方式進行數(shù)據(jù)搬移,；搬移到緩存(cache)中后，DM6446便對數(shù)據(jù)進行壓縮處理,。圖2為該系統(tǒng)的軟件流程圖,。
 

　　緩存完l幀后,，DSP便通過EDMA讀取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行壓縮處理,，結果通過EDMA存儲在SDRAM中,。當DSP處理完1幀之后，通知主機讀取數(shù)據(jù),；主機接到通知后,，通過以太網(wǎng)以EDMA形式將壓縮數(shù)據(jù)讀到主機內(nèi)存中并保存在硬盤里。在監(jiān)控主機上安裝有AVS解碼器客戶端,，還可以在主機上對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行實時播放,。上述過程循環(huán)執(zhí)行。在執(zhí)行過程中可以根據(jù)視頻碼率自動調(diào)節(jié)有關參數(shù),。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 AVS視頻壓縮原理
    該系統(tǒng)采用AVS視頻標準,，原理框圖如圖3所示。

    在AVS視頻標準中,，所有宏塊都要進行幀內(nèi)預測或幀間預測,。預測殘差需要進行8×8離散余弦變換(DCT)和量化，然后對量化系數(shù)進行掃描,，得到一維排列的量化系數(shù),，最后對量化系數(shù)進行熵編碼。AVS使用環(huán)路濾波器對重建圖像濾波,，優(yōu)點在于：一方面可以消除方塊效應．改善重建圖像的主觀質(zhì)量,；另一方面能夠提高編碼效率。濾波強度可以自適應調(diào)整,。

2．2 AVS的主要技術
(1)變換和量化
    考慮到編碼性能,、實現(xiàn)復雜度、AVS視頻標準的主要應用等多方面因素,，AVS視頻標準最終選擇了8×8離散余弦變換,。在AVS中，采用帶PIT(Pre-Scaled Integer Transform)的8x8整數(shù)余弦變換技術,，即正向縮放,、量化、反向縮放結合在一起,，而解碼端只進行反量化,，不再需要反向縮放。AVS的8×8變換量化可在16位精度上無失配地實現(xiàn),。
    對于PC機,，一般將DCT中大量的乘加運算使用加法和移位來實現(xiàn),。但就本系統(tǒng)的TMS32013M6446而言,，乘加可以通過合理安排流水線而在一個周期內(nèi)完成,，完全沒有必要也不應該為了減少乘法而使用大量的加法和移位運算。而對于2的整次冪的乘法還是應使用移位來實現(xiàn),，因為移位運算比乘法運算的功耗要低,。
(2)幀內(nèi)預測
    AVS視頻標準使用幀內(nèi)預測技術來提高幀內(nèi)編碼宏塊的編碼效率，預測時使用當前塊的左邊塊和上邊塊中的相鄰像素作為參考像素,。AVS視頻標準的幀內(nèi)預測以8×8亮度塊和色度塊為單位,，定義了5種8×8亮度塊預測模式和4種8×8色度塊預測模式(參見表1和圖4)，大大簡化了幀內(nèi)預測,。

(3)幀間預測
    AVS支持P幀和B幀兩種幀間預測圖像,。P幀至多采用2個前向參考幀，可在不增加緩沖區(qū)大小的前提下提高編碼效率,；B幀采用前后各一個參考幀,。
    AVS視頻標準中運動補償塊的大小包括16×16、16×8,、8×16,、8×8等。運動矢量的精度為1／4像素,，為得到非整數(shù)樣本,，需要進行插值運算。AVS視頻標準定義了2個4抽頭FIR濾波器,，分別用于l／2和1／4亮度樣本的插值,。與H．264使用的6抽頭FIR濾波器相比，AVS視頻標準的濾波器實現(xiàn)復雜度較低,。
(4)環(huán)路濾波
    基于塊的視頻編碼很容易造成方塊效應,，特別是在低碼率的情況下。AVS視頻標準定義了自適應環(huán)路濾波器來消除方塊效應,，改善重建圖像的主觀質(zhì)量,，同時可提高編碼效率。環(huán)路濾波是對亮度塊和色度塊的邊界進行的,。濾波時首先對塊的水平邊界濾波,，然后再對塊的垂直邊界濾波。濾波強度由宏塊編碼模式,、量化參數(shù)和運動矢量等決定,。H．264的環(huán)路濾波器濾波時使用邊界左右各4個像素，而AVS視頻標準只使用左右各3個像素,，實現(xiàn)復雜度低于H.264的環(huán)路濾波器,。AVS視頻標準使用的環(huán)路濾波器也更有利于DSP的并行實現(xiàn)。
(5)熵編碼
    AVS視頻標準使用k階(k=O～3)指數(shù)哥倫布碼。CBP,、宏塊模式和運動矢最等用0階指數(shù)哥倫布碼編碼,。量化系數(shù)使用全部4種指數(shù)哥倫布碼，采用2D-VLC編碼方法,，對量化系數(shù)的(run,、level)進行編碼。指數(shù)哥倫布碼的碼字結構非常規(guī)則,，解碼器不需要存儲碼表,。量化系數(shù)使用的19張映射表所需的存儲空間小于2 KB。視頻標準還定義了新的ESCAPE編碼方法,，能夠獲得O．05～O．08 dB的編碼增益,。

2．3 程序在DSP上的優(yōu)化
    本系統(tǒng)壓縮部分程序以AVS參考代碼rm52f為編碼部分的源代碼基礎，針對AVS編碼" title="AVS編碼">AVS編碼算法和DSP的特點對其結構和算法進行了調(diào)整和改進,。對程序作如下優(yōu)化：
    ①合理設置結構體和變量類型,。經(jīng)常用到的數(shù)組變量不放到結構體中，否則要進行雙級尋址,，降低效率,；對變最長度進行合理定義，嚴格合理區(qū)分8位,、16位,、32位的變量分配，能用小的則不用大的,。(注意：在循環(huán)體中,，循環(huán)計數(shù)變量應一律使用int型，即船位,，而不要使用short型)
    ②循環(huán)展開,。過多過深的循環(huán)不利于編譯器做軟件流水優(yōu)化，影響DSP并行處理,，因此根據(jù)DSP特性適當拆開內(nèi)循環(huán),，可以使DSP在一個周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。優(yōu)化循環(huán)較好的方法是抽出循環(huán)作為單獨文件,，對其重新編寫,、編譯和單獨執(zhí)行。由于內(nèi)層循環(huán)是惟一可以進行軟件流水的循環(huán),，所以應該注意以下問題(否則會使循環(huán)不能進行軟件流水,，嚴重影響性能)：①可以包括內(nèi)聯(lián)函數(shù)，但不可包括函數(shù)調(diào)用,；②不可有條件終止,、提前退出指令,；③必須遞減計數(shù)且在O時終止(可用-o2、-o3自動轉(zhuǎn)換),；④不可在循環(huán)體中修改循環(huán)計數(shù)值,。
    ③使用EEMA方式進行數(shù)據(jù)搬移，這在CPU頻繁訪問外部存儲器數(shù)據(jù)時能大大節(jié)省CPU資源,。其主要實現(xiàn)了下列數(shù)據(jù)傳輸：視頻數(shù)據(jù)從片外存儲器傳到片內(nèi)Cache中,；編碼數(shù)據(jù)從片內(nèi)傳輸?shù)狡獗４?；做運動補償時,，將片外對應的參考塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡瑑?nèi)。
    ④使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和線性匯編,。DSP提供了許多非常有用的內(nèi)聯(lián)函數(shù)(Intrinsics),，使用這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以很大程度地提高程序運行速度。對于耗時最多的運動估計和DCT變換部分進行線性匯編能大大提高程序的執(zhí)行效率,。使用線性匯編和標準匯編相比,，不必考慮并行指令安排、指令延遲,、寄存器使用和功能單元的使用,，可以大大縮短編寫代碼的時間，且效率遠遠高于C程序,。
    ⑤利用編譯選頂,。可以通過參數(shù)-o3的設置進行最高級別的軟件流水線優(yōu)化,；可以通過參數(shù)-mt告訴編譯器源程序沒有使用混疊技術,，以此提高編譯器優(yōu)化的效果；可以通過參數(shù)-pm的設置,，使編譯器對程序級代碼進行優(yōu)化,。使用C64xx型DSP時，應使用-mv6400編譯選項,，以便對此類DSP進行更高級別的優(yōu)化,。
    ⑥利用快速算法。AVS編碼器中,，運動估計耗時相當大,。優(yōu)化運動估計的搜索次序，采用自適應的搜索策略可以較大地提高運動估計的速度,，比如使用FastME來進行優(yōu)化,。另外在1／4像素插值方面也可進行一些調(diào)整，以避免重復計算,。

3 總結
    本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了對視頻數(shù)據(jù)的實時壓縮處理及傳輸,，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)讀寫,、內(nèi)存讀寫、SDRAM讀寫,、配置空間讀寫和寄存器讀寫操作,，同時協(xié)調(diào)幾種操作實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的AVS壓縮。本系統(tǒng)能夠完成4路CIF格式(352×288)視頻的實時編碼,，且有預留資源可供性能擴展,。以CIF格式測試序序bus為例，本系統(tǒng)壓縮的結果：當設置QP為36時,，碼率為952．77 kbps,，SNRY(亮度信號的信噪比)為30．80 dB，編碼速度為36 fps,。從結果中可以看出,，對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，PSNR(峰值信噪比)指標較理想,，編碼速度也滿足了實時的要求,。隨著AVS視頻編碼技術的不斷完善，該系統(tǒng)可以很容易地進行升級,，將在電視會議等領域得到廣泛應用,，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>