針對PXA27X微處理器開發(fā)平臺進行MPEG-4視頻編碼的優(yōu)化

隨著社會的發(fā)展，人們對消費類電子產(chǎn)品（如PDA，MP4，HDTV等）需求不斷增加，特別是對高質量高清晰多媒體的要求越來越高，因此視頻質量已經(jīng)成為廣大消費者關注的焦點之一。 MPEG-4編解碼的基本思想是基于圖像內容的第二代視頻編解碼方案，并將基于合成的編碼方案也結合在標準中。它根據(jù)圖像的內容將圖像分割成不同的視頻對象VO（Video Object），在編碼過程中對前景對象和后景對象采用不同的編碼策略，對于人們所關心的前景對象，則盡可能的保持對象的細節(jié)及平滑，而對不大關心的后景對象采用大壓縮比的編碼策略。

l MPEG一4是視頻標準

MPEG一4視頻部分是MPEG一4標準的核心內容之一。既提供傳統(tǒng)的基于幀的編碼方法又提供基于視頻對象（VO）的編碼方法。在某一時刻，視頻對象以視頻對象平面（VOP）的形式出現(xiàn)，圖1所示為MPEG一4編碼的框架。編碼也主要針對該時刻視頻對象的形狀、運動和紋理這三類信息來進行。

2 MPEG一4視頻編碼關鍵技術

MPEG-4按照如下五個層次組織要編碼的圖像，從上至下依次為：視頻段VS（Video Session）、視頻對象VO（Video Object）、視頻對象層VOL（Video Object Layer）、視頻對象組層GOV（Group of Video Object Plane）、視頻對象平面VOP（Video Object Plane）。 MPEG-4的編碼流程：第一步是VO的形成（VO Formation），先要從原始視頻流中分割出VO，之后由編碼控制（Coding control）機制為不同的VO以及各個VO的三類信息分配碼率，之后各個VO分別獨立編碼，最后將各個VO的碼流。

2.1 形狀編碼

MPEG一4首次引入形狀信息的編碼。VO的形狀信息有2類：二值形狀信息和灰度形狀信息。二值形狀信息用0，1表示VOP的形狀。二值信息的編碼采用基于塊的運動補償技術，可以無損或有損編碼?；叶刃螤钚畔⒂?～255之間的數(shù)值表示VOP的透明程度。目前對灰度形狀信息的編碼主要采用基于塊的運動補償與DCT方法，在不需要形狀信息的應用中，形狀編碼會被屏蔽掉。這部分編碼是以宏塊為單位進行的。

2.2 運動估計與補償編碼

類似于現(xiàn)有的編碼標準，MPEG一4采用運動預測和運動補償技術來去除圖像信息中的時間冗余成分，這些運動信息的編碼技術可視為由現(xiàn)有標準向任意形狀的 VOP的延伸。VOP的編碼有3種模式，即幀內編碼模式（I—VOP）、幀間預測編碼模式（P—VOP）和雙向預測編碼模式（B—VOP）。圖像填充技術利用VOP內部的像素值外推VOP外的像素值，以此獲得運動預測的參考值。對于標準宏塊，采用傳統(tǒng)的基于塊的運動估計和補償技術。

2.3 紋理編碼

VOP視頻的紋理信息可以表示為亮度成分Y和兩個色度成分Cr，Cb。幀內編碼情況下，紋理信息包含有亮度和色度成分；運動補償情況下，紋理信息表示經(jīng)過運動補償后的殘差。紋理編碼的對象可以是幀內編碼模式的I—VOP，也可以是幀間預測編碼模式B—VOP或P—VOP運動補償后的預測誤差。在幀內編碼模式中，對于完全在VOP內的像素塊，采用經(jīng)典DCT方法。對于完全位于VOP之外的像素塊則不進行編碼：對于部分在VOP內，部分在VOP外的像素塊首先采用圖像填充技術獲得VOP之外的像素值，之后再進行DCT編碼。在幀間編碼模式中，為了對B—VOP和P—VOP運動補償后的預測誤差進行編碼，將那些位于VOP區(qū)域之外的像素值設為128。紋理編碼過程如圖2所示，DCT變換、量化、掃描及變長編碼，這些過程與現(xiàn)有標準基本相同。

3 MPEG一4是視頻編碼軟件

MPEG一4是軟件編碼是一個比較大的工程，項目用到的主要函數(shù)有：

mp4_encoder_init：初始化編碼的參數(shù)，如視頻大小尺寸、碼流、緩沖大小；

encode_MPEG一4：編碼調用的總函數(shù)，文本是基本層；

encode_pvop_MPEG一4對P幀的VOP的編碼的總函數(shù)；

ippiBlockMatcn_Imeger_16x16_MVFAST：運動搜索MVFAST（Motion Vector Field AdaDtive Search Technique）。

下面是幀間宏塊編碼的函數(shù)：

encode_inter_mb_MPEG一4

（1）lookup_uvmv_MPEG一4：查找色度圖像塊的運動矢量；

（2）ippiComputeTextureErrorBlock_SAD_8u16s：計算塊殘余的紋理誤差；

（3）encode_block_inter_MPEG一4：DCT變化和量化每塊的系數(shù)。這還得反變化，來重構下幀的參考幀；

（4）create_mb_MPEG一4：得到宏塊編碼的信息；

（5）ippiEncodeMV_MPEG一4_8u16s：運動矢量和紋理殘余的編碼；

（6）ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG一4_16slu：zigzig掃描和變長編碼。

IPP的函數(shù)合理使用，可以提高性能。如ip—piBlockMatch_InIeger_16x16_MVFAST這個函數(shù)就比ippiMotionEstimation_16x16_MVFAST減少3倍時間。這個函數(shù)是占正個系統(tǒng)最多的時間之一。

4 MPEG一4是視頻編碼優(yōu)化和結果

針對Intel公司的PXA27X處理器，MPEG一4計算量復雜，特別是運動搜索，必須對其必要的優(yōu)化，以滿足實時編碼的要求。編譯優(yōu)化是靜態(tài)優(yōu)化，優(yōu)化編譯器可以自動完成程序段和代碼塊范圍內的優(yōu)化問題，但由于對算法的流程很難獲取，所以人工優(yōu)化是不必可少的。合理分配指令周期流水線也是重點，如WLDRD需要4個周期，而WUN—PCKEL只需要1個周期，使用IPP庫函數(shù)將大量節(jié)約開發(fā)時間和提高性能等，按照實際的工程的需要編寫指令。

這里的試驗平臺是南望信息產(chǎn)業(yè)有限公司PDA，主頻可達624 MHz。視頻大?。?80×272）透過大量的試驗，測試表明MPEG一4編碼可以滿足用戶拍視頻需求，速度可達到20幀／s，而且有較高的壓縮率，碼流比較低，質量也不錯。圖3，4為實際拍攝2幀圖像。

針對Intel公司的PXA27X微處理器開發(fā)平臺，在Linux操作系統(tǒng)中實現(xiàn)視頻編碼的功能。但是消費類產(chǎn)品對視頻的畫面有更高的要求，同時由于視頻編碼需要消耗大量的電源，電源的管理仍是視頻開發(fā)的研究重點。