MPEG-4SP （ Simple Profile）編碼器以其出眾的壓縮效率和圖像質量受到了廣泛關注，并隨之誕生了很多基于PC平臺的編解碼器（如Divx、Xvid等） ，在遠程教育和高清晰度電影等方面得到了廣泛應用。而2001年發(fā)布的MPEG-4標準V2. 0 中包含的ASP編碼器，則在SP的基礎上增加了一些新的工具，進一步提高了壓縮效率，因此更適合在無線視頻通信和數碼攝像機等嵌入式系統(tǒng)中應用。

1 硬件平臺TMS320C6416介紹

選用的實驗硬件平臺是TMS320C6416 DSK（DSP Starter Kit） 。其核心處理器為美國TI公司的高性能定點32位DSP C6416，基于第2代高性能Ve2lociTI. 2 VLIW結構，帶有64個32位字長的寄存器，8個高度獨立的功能單元（ 2個乘法單元， 6個算術邏輯單元） ，工作時鐘頻率為600MHz，峰值處理速度可達4800Mbit/s。C6416 DSP具有1MB 的片上存儲空間，采用兩級緩存結構。其中同CPU直接相連的L1P和L1D能以CPU相同的速度運行， 而L2CACHE有5 種配置模式，可根據實際需要來設定L2CACHE的大小。同時C6416還具有64個獨立的EDMA通道，可在CPU 后臺進行大量的數據搬移，并集成了16MB的SDRAM，可配置為高速緩存 ，提高訪問效率。

2 MPEG-4ASP視頻編碼

運動圖像專家組MPEG于2001年在其新發(fā)布的V2. 0版本中增加了一些新的工具和框架，其中包括了ASP 。ASP 在SP的基礎上增加了對B-VOP、1/4像素精度的運動矢量、可選量化器 、全局運動補償GMC等的支持，進一步提高了壓縮效率。

（1）B-VOP使用雙向預測來提高運動補償的效率，也即每個block塊或者macroblock宏塊都可由前向和后向預測加權得到。

（2） 1/4像素運動矢量 ： 在進行運動估計和補償之前， 參考VOP先在1/2像素位置處，進而在1/4處進行插值，盡管這樣增加了運動估計、運動補償和圖像重建的復雜度，但編碼效率相比SP編碼器得到了提高。

（3）可選量化器：在ASP中提供了一種可選的反量化方式。在這種方式中，量化系數FQ （ u， v）按照下面的方式進行反量化來生成系數F （u， v） ： if （FQ = 0） F = 0; elseF = ［ （2 ×Fc（ u， v） + k） ×WW （ u， v） ×QP ］ /16。其中WW 是8 ×8的加權因子矩陣，這種反量化方式使得編碼器可根據量化系數在塊中的位置，使用WW 改變步長。

（4）全局運動補償（GMC） ：同一視頻對象（VO）中的宏塊可能經歷相似的運動，如攝像機鏡頭的縮放和旋轉等造成的線性移動，其中的一些宏塊可能向同一方向運動。帶GMC的編碼器只需發(fā)送少量的運動參數就能為整個VOP描述這個“全局”運動。因此，當VOP中相當數量的宏塊擁有相同運動特性時， GMC就可以顯著的提高壓縮效率。

3 軟件移植及優(yōu)化

由于DSP不同于普通的PC環(huán)境，因此簡單的將代碼放到DSP上去編譯，運行效率低甚至不能運行，必須進行適合DSP特點的代碼移植、改寫和優(yōu)化工作，才能達到實時性要求。

3. 1 軟件移植

為使代碼適合在DSP平臺上運行，首先刪除程序代碼中大量的printf等調試信息，對必要的信息輸出改用puts，以減少函數開銷;對double類型數據改用long類型定義;刪除不必要的浮點運算（如PSNR的計算） ，必要的浮點運算通過定標來實現。

3. 2 存儲器優(yōu)化

C6416DSP有1MB 的片上存儲空間，最大能以CPU時鐘頻率進行訪問。在DSK上集成了16Mb/s的SDRAM，可通過EM IFA以100MHz的頻率進行訪問。訪問速度上存在的差異以及CPU尋址外部存儲空間將導致流水線停止數個周期，因此，如何合理利用C6416的片上存儲空間和二級緩存結構成了非常關鍵的因素。將1MB的存儲空間分為256k的L2CACHE和768 k的L2SRAM，代碼段、全局數據等放在片內存儲器L2SRAM 上， 外部SDRAM 設定為可高速緩存（Cacheable）以提高訪問效率。這些設置可以通過調用CSL （Chip Support Library）庫函數來完成：

#include

#include

CSL_init （ ） ;

CSL_enableCaching（CACHE_EM IFA_CE00） ;

CACHE_setL2Mode （CACHE_256 k CACHE） 。

3. 3 項目級優(yōu)化

TI為其集成編譯環(huán)境CCS提供了一系列的編譯優(yōu)化參數，可根據代碼性能要求進行選取。因此可以通過不斷對各個參數（ - mw， - pm， - o3， - mt等）進行組合、優(yōu)選，這可以通過CCS 2. 20的PBC選項來完成。同時在代碼鏈接過程中，對代碼段鏈接順序進行一定的安排，可以減少程序執(zhí)行時代碼調用帶來的緩存缺失，提高程序的執(zhí)行效率。

3. 4 代碼優(yōu)化

代碼優(yōu)化是MPEG-4 ASP視頻編碼器軟件開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，未經過優(yōu)化的代碼在DSK平臺上的執(zhí)行效率很低，平均約25s才進行一幀編碼，而實時性的指標為每秒25幀以上。

（1）使用TI庫函數

TI提供了圖像處理函數庫IMGL IB，可以調用其中的函數進行FDCT和IDCT變換。

（2）對C代碼進行改寫

首先對程序中的循環(huán)操作進行分解展開，對不能展開的循環(huán)則合理安排循環(huán)內外層，以更大程度地提高流水效率。C6000的編譯器還提供了許多內聯函數（ intrinsics） ，這些內聯函數能直接映射到對應的匯編指令，提高程序的效率。同時可利用編譯指示偽語句（ Pragma Directive）向編譯器提供一些先驗知識，以提高編譯效率。如用#p ragma （minimum value， maximumvalue， factor）向編譯器指出循環(huán)執(zhí)行的信息，這樣便于編譯器利用數據打包等技術進行優(yōu)化。以計算宏塊中像素同均值偏差的dev16函數為例，采用了以上方法改寫后，函數執(zhí)行周期數由277 個cycles變?yōu)?30個cycles （同在o3條件下） ，性能提升超過50%。

（3）進行線性匯編改寫

線性匯編是針對C6000 的結構特點優(yōu)化設計的介于C和匯編語言之間的一種編程語言，其編譯效率能達到匯編代碼的90%以上。同時C64x系列DSP針對圖像和視頻應用增加了許多特有的指令，使得這些應用的代碼編寫效率得到了提高。如在ASP視頻編碼器中，半像素插值使用的avgu4、shrmb、unpklu4 和unpkhu4指令，計算SAD 時用到的dotpu4、subabs4 指令，圖像重建時用到的SPACK2指令等等。也方便了代碼的編寫，如ME （Motion Estimation運動估計）時在參考圖像幀中進行像素值讀取的LDNDW 指令，解決了參考圖像中數據不滿足雙字對齊的問題。下面給出了將函數transfer_16 to8copy（ ）通過線性匯編改寫后的代碼，同在o3選項下，線性匯編代碼只需C代碼15. 8%的指令周期。表1給出了部分代碼改寫前后的性能對比（同在o3優(yōu)化選項下） 。

。 global _transfer_16 to8copy

_transfer_16 to8copy： 。 cp roc dst， src， stride

。 reg pdst， p src， count

。 reg ahi： alo， bhi： blo， chi： clo

mvk 8， count

mv dst， pdst

mv src， p src

loop： 。 trip 8， 8

lddw 3 *psrc， ahi： alo

spacku4 ahi， alo， blo; keep the value

in the range 0 - 255

lddw 3 *+psrc （8） ， chi： clo

spacku4 chi， clo， bhi

stdw bhi： blo， 3 pdst

add pdst， stride， pdst

add p src， 16， p src

［count ］ sub count， 1， count

［ count ］ b loop

。 endp roc

3. 5 數據搬移優(yōu)化

由于片上存儲空間有限，因此只能將參考圖像及重建圖像等數據放在外部SDRAM中，但也導致了訪問外部存儲器時帶來的巨大開銷。而C64x具有的EDMA和QDMA只需花費數個時鐘周期進行參數初始化后，就可以在CPU 后臺進行高速的數據搬移操作，提高了程序執(zhí)行效率。針對簡單的數據搬移，可以利用CSL庫提供的DAT函數進行。以一段簡單的2D數據搬移為例，給出利用QDMA后的實現代碼：

unsigned int transferID = DAT_open （DAT_CHAA-NY，DAT_PR I_LOW，DAT_OPEN_2D） ;

DAT_copy2d （DAT_2D2D， con， ref， 16， 16，width） ;

DAT_wait （ transferID） 。

對復雜的數據搬移，可以采用多通道的EDMA來實現。EDMA提供了linking和chaining的機制，在部分數據搬移完成后，自動對EDMA鏈路或通道參數進行更新載入，無需CPU干預，特別適合進行大量的數據搬移。然而需要注意，由于SDRAM中的待搬移數據在L2CACHE中存在副本，因此在進行數據搬移前，需對L2CACHE和SDRAM中的待搬移數據進行一致性操作（Coherence Operations） ，否則將得不到正確的結果。

4 實驗結果與分析

通過上面提到的軟件優(yōu)化方法，在C6416 DSK上對MPEG - 4視頻編碼器進行了仿真。為了得到編碼信息，如峰值信噪比（ PSNR） ，在代碼中臨時加入了calc_p snr （ ）函數，以便于對ASP編碼器和SP編碼器進行性能比較。以352 ×288大小的CIF格式foreman視頻序列為例，在編碼碼率為256 K時，對分別支持GMC、QPEL和B - VOP以及同時支持上述3 個工具的ASP編碼器和SP編碼器進行了性能對比（ SP編碼形式為“IPPPP.”， ASP使用B - VOP時為“ IBBPBB-

PBBP.”） 。

表2給出了得到的編碼文件長度，可以看出ASP編碼器相比SP編碼器其存儲空間要求更小，而圖像質量變化不大，因此更適合于數碼攝像等嵌入式場合的應用。

圖1 對ASP編碼器（支持B -VOP、GMC 及QPEL） 與SP 編碼器進行了比較， 可以看出前者在PSNR性能上較后者平坦，均方差較小，圖像質量更為穩(wěn)定。

圖1 foreman序列ASP和SP視頻編碼器PSNR性能比較

雖然壓縮效率提升，但導致計算量上升，并且由于編碼時采用了B-VOP增加了后向預測，編碼時延增大，圖像幀速率有所降低。

5 結束語

由于ASP視頻編碼器具有更高的壓縮效率，雖然在編碼速度上有所降低，時延增大，但仍能在DSP上進行實時編碼，因此適合在存儲容量受限的場合（如數碼攝像、視頻監(jiān)控網絡等領域）應用。

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