ＭＰＥＧ－４編碼器在Ｉｎｔｅｌ?。校兀粒玻罚仄脚_(tái)上的實(shí)現(xiàn)

鄒　濤　易　凡

摘 要：提出基于Intel PXA27X微處理器開發(fā)平臺(tái)，在Linux操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)MPEG－4編碼軟件設(shè)計(jì)。介紹了MPEG－4的視頻標(biāo)準(zhǔn)、編碼關(guān)鍵技術(shù)以及編碼軟件實(shí)現(xiàn)部分，并進(jìn)行針對(duì)Intel PXA27X處理器軟件的優(yōu)化和實(shí)際平臺(tái)的測試。測試結(jié)果表明作為商用PDA的MPEG－4編碼可以滿足用戶的對(duì)視頻的需求，其速度達(dá)到了20幀/s，且有較高的壓縮率，碼流比較平穩(wěn)，并有較好的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：MPEG－4；Intel PXA27X；優(yōu)化；Linux

中圖分類號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 023 02

Implementation of MPEG－4 Encoder on the Intel PXA27X Embedded Platform

ZOU Tao，YI Fan

(School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan,430072,China)

Abstract：The thesis introduces the software designed implementation of MPEG－4 encoder based on Intel PXA27Xmicroprocessor,in the Linux operating system.The MPEG－4 standard,MPEG－4 encoder key technologies and implementation of MPEG－4 encoder software are introduced.software optimization and test through Intel PXA27X processor are finished,results show the MPEG－4 encoder of commercial PDA can satify the user′s shot need,which reaches 20 frames/s,it has high compression,steady bitrate and good quality.

Keywords：MPEG－4；Intel PXA27X；optimization；Linux

0 引 言

隨著人們對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品（如PDA，MP4，HDTV等）需求不斷增加，特別是對(duì)高質(zhì)量高清晰多媒體的要求越來越高，因此視頻質(zhì)量已經(jīng)成為廣大消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。在視頻的格式方面，一些國際組織和大公司分別提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO組織的MPEG－2,MPEG－4,微軟的WMV等。

針對(duì)Intel公司的PXA27X處理器（這是一個(gè)包含Intel Wireless MMX 技術(shù)基于Intel Xscale的處理器），以XVID MPEG－4為基礎(chǔ)，針對(duì)MPEG－4在Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視頻的編碼要求。在此首先介紹MPEG－4視頻標(biāo)準(zhǔn)，緊接著闡述MPEG－4視頻標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)和

MPEG－4視頻編碼軟件部分，最后還介紹了優(yōu)化方法和實(shí)際平臺(tái)的測試。

1 MPEG－4是視頻標(biāo)準(zhǔn)

MPEG－4視頻部分是MPEG－4標(biāo)準(zhǔn)［1］的核心內(nèi)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(duì)象(VO)的編碼方法。在某一時(shí)刻，視頻對(duì)象以視頻對(duì)象平面(VOP )的形式出現(xiàn)，圖1所示為MPEG－4編碼的框架［1,2］。編碼也主要針對(duì)該時(shí)刻視頻對(duì)象的形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理［1,2］這三類信息來進(jìn)行。

2 MPEG－4視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)

MPEG－4視頻基于VOP的編碼就是針對(duì)運(yùn)動(dòng)信息、形狀信息和紋理信息［3,4］等3種信息的編碼技術(shù)。

2.1 形狀編碼

MPEG－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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，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。對(duì)灰度形狀信息的編碼是分別對(duì)二值形狀及像素亮度值進(jìn)行編碼。目前對(duì)灰度形狀信息的編碼主要采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與DCT方法，在不需要形狀信息的應(yīng)用中(譬如基于規(guī)則矩形框幀的視頻編碼)，形狀編碼會(huì)被屏蔽掉。這部分編碼是以宏塊為單位進(jìn)行的。

2.2 運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償編碼

類似于現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)，MPEG－4采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)來去除圖像信息中的時(shí)間冗余成分，這些運(yùn)動(dòng)信息的編碼技術(shù)可視為由現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)向任意形狀的VOP的延伸。VOP的編碼有3種模式，即幀內(nèi)編碼模式(I－VOP )、幀間預(yù)測編碼模式(P－VOP )和雙向預(yù)測編碼模式(B－VOP )。在MPEG－4中運(yùn)動(dòng)預(yù)測和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以是基于16×16宏塊的，也可以是基于8×8子塊的。為了能適應(yīng)任意形狀的VOP,MPEG－4引入了圖像填充技術(shù)和多邊形匹配技術(shù)。圖像填充技術(shù)利用VOP內(nèi)部的像素值外推VOP外的像素值，以此獲得運(yùn)動(dòng)預(yù)測的參考值。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)宏塊，采用傳統(tǒng)的基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)。

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(gè)色度成分Cr，Cb。е∧詒嗦肭榭魷攏紋理信息包含有亮度和色度成分;運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償情況下，紋理信息表示經(jīng)過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的殘差。紋理編碼的對(duì)象可以是幀內(nèi)編碼模式的I－VOP，也可以是幀間預(yù)測編碼模式B－VOP或P－VOP運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的預(yù)測誤差。在幀內(nèi)編碼模式中，對(duì)于完全在VOP內(nèi)的像素塊，采用經(jīng)典DCT方法。對(duì)于完全位于VOP之外的像素塊則不進(jìn)行編碼:對(duì)于部分在VOP內(nèi)，部分在VOP外的像素塊首先采用圖像填充技術(shù)獲得VOP之外的像素值，之后再進(jìn)行DCT編碼。在幀間編碼模式中，為了對(duì)B－VOP和P－VOP運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的預(yù)測誤差進(jìn)行編碼，將那些位于VOP區(qū)域之外的像素值設(shè)為128。紋理編碼過程如圖1所示，DCT變換、量化、掃描及變長編碼，這些過程與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基本相同。

3 MPEG－4是視頻編碼軟件

MPEG－4是軟件編碼是一個(gè)比較大的工程，項(xiàng)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?。?/p>

encode_MPEG－4：編碼調(diào)用的總函數(shù)，文本是基本層；

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

ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST：運(yùn)動(dòng)搜索MVFAST（Motion Vector Field Adaptive Search Technique）。

下面是幀間宏塊編碼的函數(shù)：

encode_inter_mb_MPEG－4

(1) lookup_uvmv_MPEG－4:查找色度圖像塊的運(yùn)動(dòng)矢量；

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

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

(4) create_mb_MPEG－4:得到宏塊編碼的信息；

(5) ippiEncodeMV_MPEG－4_8u16s：運(yùn)動(dòng)矢量和紋理殘余的編碼；

(6) ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG－4_16s1u：zigzig掃描和變長編碼。

IPP的函數(shù)合理使用，可以提高性能。如ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST這個(gè)函數(shù)就比ippiMotionEstimation_16x16_MVFAST減少3倍時(shí)間。這個(gè)函數(shù)是占正個(gè)系統(tǒng)最多的時(shí)間之一。

4 MPEG－4是視頻編碼優(yōu)化和結(jié)果

這里是針對(duì)Intel公司的PXA27X處理器，MPEG－4計(jì)算量復(fù)雜，特別是運(yùn)動(dòng)搜索，必須對(duì)其必要的優(yōu)化［5－9］，以滿足實(shí)時(shí)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(dòng)完成程序段和代碼塊范圍內(nèi)的優(yōu)化問題，但由于對(duì)算法的流程很難獲取，所以人工優(yōu)化是不必可少的?？墒褂脙?nèi)聯(lián)函數(shù)，Wireless MMX 指令編寫，如WLDRD 和WMACS，特別在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，打包指令是必不可少的指令。合理分配指令周期流水線也是重點(diǎn)，如WLDRD需要4個(gè)周期，而WUNPCKEL只需要1個(gè)周期，使用IPP庫函數(shù)將大量節(jié)約開發(fā)時(shí)間和提高性能等，按照實(shí)際的工程的需要編寫指令。當(dāng)然對(duì)算法的本身優(yōu)化也不必可少，如運(yùn)動(dòng)搜索，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，將這些函數(shù)優(yōu)化運(yùn)算時(shí)間大量減少。還有對(duì)數(shù)據(jù)搬移方面，如何有效應(yīng)用硬件資源也將提高運(yùn)行的性能，如DMA、緩存、寄存器等。

這里的試驗(yàn)平臺(tái)是南望信息產(chǎn)業(yè)有限公司PDA，主頻可達(dá)624 MHz。視頻大小（480×272）透過大量的試驗(yàn)，測試表明MPEG－4編碼可以滿足用戶拍視頻需求，速度可達(dá)到20幀/s，而且有較高的壓縮率，碼流比較低，質(zhì)量也不錯(cuò)。圖3，4為實(shí)際拍攝2幀圖像。

5 結(jié) 語

針對(duì)Intel公司的PXA27X微處理器開發(fā)平臺(tái)，在Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視頻編碼的功能。但是消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)視頻的畫面有更高的要求，同時(shí)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(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］ ISO IEC FDIS 14496－2.Information Technology－GenericCoding of Audio－Visual Objects Part.2001.

［2］ Lain E G Richardson.H.264 and MPEG－4 Video Compression.Halsted Press,2003.

［3］夏良正.數(shù)字圖像處理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1999.

［4］萬俊青.MPEG－4視頻編碼器算法研究及優(yōu)化 ［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［5］Intel PXA27x Processor Family Optimization Guidel ［S］.2004.

［6］李英倫，杜旭.基于IntelXscale和嵌入式Linux的視頻模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005,26（9）:2 282－2 260.

［7］顧建軍，李文元.MPEG－4－SP在DSP上的優(yōu)化分析［J］.測控技術(shù),2004(23):191－192.

［8］洪艷,楊斌.嵌入式手持設(shè)備設(shè)計(jì)及其基于IPP的優(yōu)化［J］.微計(jì)算機(jī)信息,2007(23):4－7.

［9］李英倫，杜旭.基于IntelXscale和嵌入式Linux的視頻模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005,26（9）:2 282－2 260.

［10］鐘玉琢，王琪，賀玉文.基于對(duì)象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG－4及其校驗(yàn)?zāi)Ｐ停跰］.北京:科學(xué)出版社，2000.

作者簡介 鄒 濤 微電子與固體電子學(xué)碩士。主要研究方向?yàn)樾畔⑻幚砼c微系統(tǒng)。