基于ARM平臺(tái)的高清視頻信號(hào)編解碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)

(中國人民解放軍92124部隊(duì)， 遼寧 大連 116000)

0 引言

高清視頻技術(shù)是多媒體技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，多用于無線通信領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中[1]。多媒體設(shè)備從最初單一分辨率到如今的多分辨率立體視頻，從而也對(duì)視頻存儲(chǔ)提出了較高要求，采用立體視頻能夠形象記錄，盡管所需存儲(chǔ)空間不斷變大，但是相對(duì)記錄的內(nèi)容依舊不能滿足用戶需求，在這種情況下，視頻壓縮就顯得尤為重要[2]。面臨有限信道的存儲(chǔ)空間，需要盡量壓縮數(shù)字視頻存儲(chǔ)空間，使用較低比特率傳輸高質(zhì)量視頻。多媒體技術(shù)在當(dāng)代人們生活中所占比重越來越高，更多移動(dòng)終端被廣泛應(yīng)用，隨著系統(tǒng)更新架構(gòu)不斷推出，越來越多性能較好的系統(tǒng)平臺(tái)被采用[3]。基于ARM平臺(tái)是ARM公司新推出的平臺(tái)架構(gòu)，其特定的處理器內(nèi)核和微處理器具有較強(qiáng)兼容性，為編解碼器的編碼和解碼提供良好環(huán)境。

由于原始編解碼器存在編解碼速度慢，耗費(fèi)時(shí)間長的問題，無法滿足人們需求[4]。為此，提出了基于ARM平臺(tái)的高清視頻信號(hào)編解碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)編解碼器的研究，以及ARM平臺(tái)分析，可充分了解編解碼流程和各個(gè)模塊功能，同時(shí)也對(duì)ARM平臺(tái)處理器機(jī)制進(jìn)行了更加深入的了解，由此可對(duì)編碼和解碼各個(gè)功能機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，優(yōu)化后的編解碼器編解碼速度快，且耗費(fèi)時(shí)間較短，能夠滿足人們需求。

1 高清視頻信號(hào)編解碼器在ARM平臺(tái)上的優(yōu)化

隨著我國多媒體技術(shù)快速發(fā)展，視頻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，ARM平臺(tái)具有性能強(qiáng)大ARM微處理器，并帶有NEON多媒體處理器，針對(duì)高清視頻信號(hào)的編解碼器在該平臺(tái)上進(jìn)行優(yōu)化是安全的，在整個(gè)優(yōu)化過程中，需要采用多種技術(shù)，將數(shù)據(jù)對(duì)齊，分別對(duì)編碼器和解碼器進(jìn)行優(yōu)化，能夠在很大程度上地提高編解碼器整體性能[3]。

1.1 編碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1.1 高清視頻信號(hào)接口分離

ARM微處理器具有出色的性能和效率，能夠適用于各種移動(dòng)和消費(fèi)類應(yīng)用，由于處理器是根據(jù)不同系統(tǒng)性能而實(shí)現(xiàn)的，為用戶苛刻性要求提供了較高編碼性能，并在該性能條件下移動(dòng)設(shè)備功率消耗不到300 mW[5]。在該平臺(tái)下對(duì)編碼器進(jìn)行編碼可大幅度提高編碼能力，同時(shí)可保持移動(dòng)設(shè)備高功率水平。由于原始編碼器中保留著現(xiàn)場可編程門列(FRGA)模塊，為此，首先需在程序中對(duì)主要接口分離，將屬于現(xiàn)場可編程門列(FRGA)進(jìn)行拆分，通過對(duì)不同函數(shù)的構(gòu)建可在核心源程序中，構(gòu)建7個(gè)不同種類的函數(shù)，并對(duì)其功能進(jìn)行描述，如表1所示。

表1 核心編碼函數(shù)及其功能

由表1可知，現(xiàn)場可編程門列(FRGA)模塊主要是對(duì)幀間和幀內(nèi)進(jìn)行預(yù)測，促使殘差塊掉落，并對(duì)幀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新構(gòu)造，這就包括了幀間和幀內(nèi)的預(yù)測功能。根據(jù)其他編碼宏塊所獲取的信息進(jìn)行預(yù)測，在幀間出現(xiàn)的模塊信息，為下一個(gè)宏塊編碼提供有效依據(jù)，并將信息完整保存，為下一個(gè)宏塊編碼提供參考。該部分功能主要是由上述構(gòu)建函數(shù)而實(shí)現(xiàn)的，為此，完整幀內(nèi)部預(yù)測模塊函數(shù)應(yīng)包括Y300*macroblock*cache*load、Y300*macroblock*Forward prediction和Y300*macroblock*cache*save三個(gè)函數(shù)，針對(duì)濾波處理，需由Y300*reference*update函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)編碼變換、熵編碼功能實(shí)現(xiàn)，需由Y300*encode、Y300*macroblock*write*cavlc和Y300*nal*encode三個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，因此，在上述函數(shù)中，Y300*macroblock*cache*load、Y300*macroblock* Forward prediction和Y300*macroblock*cache*save以及Y300*reference*update被劃分到功能模塊當(dāng)中[6]。在ARM平臺(tái)下的程序結(jié)構(gòu)中，各個(gè)函數(shù)之間的關(guān)系是具有獨(dú)立性的，不會(huì)因此而產(chǎn)生依賴性，因此，在面對(duì)宏觀模塊時(shí)，進(jìn)行預(yù)測需將目前宏觀模塊和預(yù)測模塊同時(shí)當(dāng)作輸入變量，將輸入信號(hào)作為預(yù)測編碼，如果當(dāng)前的宏觀模塊與預(yù)測模塊同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，那么只有殘差發(fā)生變化時(shí)，所得的函數(shù)才能包含所有功能，為此需對(duì)函數(shù)進(jìn)行拆分，具體拆分過程如下所示：

1)將預(yù)測部分從函數(shù)中提取出來，采用兩個(gè)函數(shù)和兩個(gè)全局?jǐn)?shù)組方式，名稱和功能如表2所示，在函數(shù)中需根據(jù)當(dāng)前預(yù)測模塊所包含的所有高清視頻編碼中的亮度與色度信號(hào)，調(diào)用函數(shù)，將獲取的殘差數(shù)據(jù)全部存入全局?jǐn)?shù)據(jù)組中，作為DCT變換輸入[7]。

表2 函數(shù)和全局?jǐn)?shù)組名稱功能描述

2)在源程序中修改函數(shù)，并逐級(jí)調(diào)用，促使輸入的模塊為當(dāng)前宏觀模塊的預(yù)測信息，經(jīng)過上述一系列高清視頻信號(hào)接口分離后，輸入殘差數(shù)據(jù)，相應(yīng)函數(shù)參數(shù)也要進(jìn)行一定修改。經(jīng)過調(diào)整后的函數(shù)被內(nèi)部程序調(diào)用了，那么可降低程序修改量，直接將殘差數(shù)據(jù)輸入，為下一步優(yōu)化提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1.1.2 編碼器代碼精簡

經(jīng)過上述高清視頻信號(hào)接口分離后，獲得了準(zhǔn)確輸入數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)作為基本數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼器檔次調(diào)整，因此對(duì)編碼器代碼精簡是具有必要性的。刪除基本檔次，將不需要模塊去除，如果將編碼器內(nèi)部基本幀內(nèi)容去除后，那么剩下的檔次只有I幀和P幀，去除B幀之后，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼，為此，刪除B幀可省去后向預(yù)測繁瑣編碼過程[8]。進(jìn)行熵編碼時(shí)，需將自適應(yīng)的二進(jìn)制算術(shù)編碼應(yīng)用到不同檔次的實(shí)時(shí)編碼過程當(dāng)中，由于編碼器只支持熵編碼，而不支持嫡編碼，為此刪除與嫡編碼有關(guān)的所有程序語句。

1.1.3 編碼器邏輯結(jié)構(gòu)精簡

在對(duì)高清視頻幀數(shù)進(jìn)行判定時(shí)，由于對(duì)代碼進(jìn)行了精簡，為此在編碼過程中省去了后向預(yù)測繁瑣編碼過程。在代碼精簡后的編碼器中首先對(duì)其它幀進(jìn)行編碼，將輸入視頻數(shù)據(jù)序列進(jìn)行多次空間轉(zhuǎn)移以及重新排列，空間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移過程如圖1所示。

圖1 高清視頻幀存儲(chǔ)空間轉(zhuǎn)移過程

由圖1可知：在讀入視頻數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)該先保存Y300_ picture過程，然后將數(shù)據(jù)拷貝下來，同時(shí)向邊界方向進(jìn)行擴(kuò)展，經(jīng)過擴(kuò)展后的視頻寬度變?yōu)?2像素，那么主要用于數(shù)據(jù)預(yù)測和視頻方向預(yù)計(jì)[9]。確定預(yù)測幀方向后，將讀入順序與輸入順序進(jìn)行對(duì)比，如果輸入順序視頻幀數(shù)一定數(shù)值后，可進(jìn)行重排，對(duì)讀入視頻幀數(shù)序列進(jìn)行類型判斷，最后，對(duì)current序列中的視頻進(jìn)行編碼。

針對(duì)目前函數(shù)中存在的序列，經(jīng)過種類判定后，序列需再次排列，將B幀存在在P幀之后，然后對(duì)函數(shù)進(jìn)行重新調(diào)用，隨后按照當(dāng)前幀順序完成編碼。針對(duì)I幀種類的判斷，可對(duì)P幀進(jìn)行編碼，當(dāng)編碼完成后，需對(duì)P幀進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測后的數(shù)據(jù)是需要修正的，由此可知，如果編碼時(shí)含有B幀，那么B幀種類判定結(jié)果比較復(fù)雜；如果編碼時(shí)沒有B幀，那么實(shí)際幀序列為IPPP…，為此，需對(duì)部分邏輯進(jìn)行簡化，去掉current序列，需對(duì)每次讀入的幀數(shù)進(jìn)行直接判定，但需保留I幀判定方式，優(yōu)化后的編碼器幀判斷類型如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的編碼器幀判斷類型

1.2 解碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)

在整個(gè)解碼器優(yōu)化的過程中，需利用內(nèi)聯(lián)函數(shù)將數(shù)據(jù)對(duì)齊，并采用多重優(yōu)化技術(shù)將解碼器內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化，該方式能夠提高解碼器性能，而且針對(duì)解碼速度也具有一定影響。采用匯編級(jí)別優(yōu)化方式，尤其是在ARM微處理器平臺(tái)下能夠并行處理，基于此，提出了針對(duì)并行處理機(jī)制的優(yōu)化方法，在較大程度上能夠提高整體性能。經(jīng)過上述內(nèi)容能夠獲取不同形式下的函數(shù)，針對(duì)熱點(diǎn)函數(shù)需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)提高高清視頻編碼器整體性能。

1.2.1 優(yōu)化C級(jí)別

在C級(jí)別優(yōu)化策略中，需對(duì)解碼器運(yùn)算性能進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化過程如下所示：

由于內(nèi)聯(lián)函數(shù)是函數(shù)調(diào)用的關(guān)鍵方法，采用該方法不但可以節(jié)省函數(shù)調(diào)用時(shí)間，還能使解碼整體達(dá)到高效率標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)全部函數(shù)分析可知，經(jīng)常被使用的函數(shù)是解碼器在優(yōu)化時(shí)最好的內(nèi)聯(lián)紐帶，一般情況下，只要小于等于5個(gè)信號(hào)發(fā)出的指令，那么周期函數(shù)是需要通過內(nèi)聯(lián)紐帶才能完成優(yōu)化的，具體優(yōu)化方式有：1)保密內(nèi)聯(lián)：通過編譯器對(duì)全部函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，通過驗(yàn)證的函數(shù)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)，然后編譯選項(xiàng)，利用內(nèi)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇來完成優(yōu)化；2)顯示內(nèi)聯(lián)：在函數(shù)中使用關(guān)鍵字進(jìn)行優(yōu)化，在頭文件中的定義添加關(guān)鍵字，防止在連接過程中對(duì)定義重復(fù)設(shè)置；3)人工內(nèi)聯(lián)：通過人工方式，對(duì)有關(guān)性能影響較大關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行定義替換，完成相應(yīng)部分調(diào)用。

1.2.2 移除多余結(jié)構(gòu)體以及冗余函數(shù)

在原始解碼過程中，難免會(huì)存在各種各樣的冗余結(jié)構(gòu)，為此在優(yōu)化時(shí)，需將冗余結(jié)構(gòu)的變量體去除，或者重新設(shè)置內(nèi)存單元來減小內(nèi)存占用情況，以此為基礎(chǔ)提高解碼運(yùn)行效率。在ARM平臺(tái)下進(jìn)行解碼，此時(shí)需要調(diào)用函數(shù)，以此為基礎(chǔ)調(diào)回更多數(shù)據(jù)來填滿緩存單元。通常情況下，原始緩存數(shù)據(jù)大小為128字節(jié)，在小的緩存單元中會(huì)出現(xiàn)頻繁函數(shù)調(diào)用情況[10]，此時(shí)需對(duì)信號(hào)解碼狀態(tài)進(jìn)行讀取，如果調(diào)回的函數(shù)消耗時(shí)間較小，那么提高解碼器性能的幾率就會(huì)大大提高。

根據(jù)上述內(nèi)容，在代碼優(yōu)化過程中，將調(diào)回函數(shù)數(shù)據(jù)緩存大小更改為1.5 K個(gè)字節(jié)，該種優(yōu)化方式能夠有效提高解碼整體性能，在解碼器使用過程中，利用上層解碼數(shù)據(jù)將解碼幀儲(chǔ)存到模塊中，然后將上層數(shù)據(jù)通過回調(diào)函數(shù)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，進(jìn)而將整體回調(diào)函數(shù)去除，該步驟能夠加快解碼器的解碼速度，進(jìn)而大大提高解碼器對(duì)高清視頻信號(hào)解碼的效率。

1.2.3 優(yōu)化熵解碼

一般情況下，利用哈夫曼解碼方式作為嫡解碼[11]，可將解碼過程變得更加直觀化，通常采用二叉樹的方式呈現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 二又樹解碼

查表方式如表3所示。

表3 熵解碼符號(hào)、碼字、碼長對(duì)應(yīng)表

由表3可知，解碼過程查表可由以下幾個(gè)表組成，每次進(jìn)行解碼時(shí)可讀取一個(gè)bit，剩下數(shù)據(jù)可通過如下方式進(jìn)行。當(dāng)讀取比特為1時(shí)，符號(hào)為a。當(dāng)讀取比特為0時(shí)，需向下跳轉(zhuǎn)：當(dāng)讀取比特為1時(shí)，符號(hào)為b。當(dāng)讀取比特為0時(shí)，需向下跳轉(zhuǎn)；當(dāng)讀取比特為1時(shí)，符號(hào)為c。當(dāng)讀取比特為0時(shí)，需向下跳轉(zhuǎn)；當(dāng)讀取比特為1時(shí)，符號(hào)為d。當(dāng)讀取比特為0時(shí)，符號(hào)為e。該表一共分為14個(gè)等級(jí)，針對(duì)每一個(gè)等級(jí)，進(jìn)行讀取的比特?cái)?shù)分別為1-1-1-1-1-1-1-0-0-0-0-0-0。通過完成解碼后獲得的符號(hào)，進(jìn)行一次性碼流最大字節(jié)比特?cái)?shù)輸入，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比較進(jìn)行解碼，可獲得解碼時(shí)所耗費(fèi)時(shí)間，如果讀入1個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，如果比特為0，那么需要根據(jù)上述方式繼續(xù)查找，如果達(dá)到哈夫曼葉節(jié)點(diǎn)則說明解碼成功。采用這種優(yōu)化方法，重新建立哈夫曼查表，每一個(gè)級(jí)別的查找都能快速完成，優(yōu)化后的查找等級(jí)，平均搜索時(shí)間較快，能夠滿足人們快速解碼需求。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于ARM平臺(tái)高清視頻信號(hào)編解碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)有效性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)選取某高清視頻編解碼器中的一些典型樣本進(jìn)行測試，在ARM平臺(tái)上利用仿真工具驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果。

2.1 編碼器優(yōu)化性能驗(yàn)證

將初步移植到ARM平臺(tái)上編碼器整體性能進(jìn)行測試，采用同一視頻不同分辨率方法，對(duì)復(fù)雜畫面序列進(jìn)行測試。其中有關(guān)視頻名稱和內(nèi)容的描述如下所示：

1)Foreman*cif.yuv：該序列表示視頻中的人物與背景紋理復(fù)雜程度一致，如果發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，那么視頻中的鏡頭會(huì)處于劇烈搖晃狀態(tài)下；

2)Silent*cif.yuv：該序列表示視頻處于靜鏡頭環(huán)境下，人物與背景紋理不一致，復(fù)雜程度相對(duì)高；

3)Container*cif*yuv：該序列表示視頻中的人物與背景紋理復(fù)雜程度一般，鏡頭集中且運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢。

4)Bigships*1024*768.yuv：該序列表示視頻背景與人物視頻中運(yùn)動(dòng)紋理復(fù)雜程度一致均較高，運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢；

5)Jet*1024*768.yuv：該序列表示視頻背景與人物運(yùn)動(dòng)紋理復(fù)雜程度一致均一般，此時(shí)鏡頭是可移動(dòng)的。

利用CCS的profile工具，分別對(duì)序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 編碼器序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了使性能驗(yàn)證結(jié)果更加具有可靠性，將原始解碼器與本文優(yōu)化后的解碼器序列情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 兩種設(shè)計(jì)方法序列測試結(jié)果對(duì)比

由表5可知：由于每個(gè)測試的序列長度均為25幀，相比于原始編碼器中的序列初始統(tǒng)計(jì)結(jié)果，優(yōu)化后的編碼器平均編碼速度提高了約12倍。

2.2 解碼器優(yōu)化性能驗(yàn)證

不同解碼率在優(yōu)化后的性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 不同解碼率性能優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)表6中解碼器優(yōu)化性能，將原始解碼器與優(yōu)化后的解碼器平均解碼時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種方法解碼時(shí)間對(duì)比結(jié)果

由圖4可知在高碼率條件下的原始解碼器耗費(fèi)時(shí)間為50101 s，而優(yōu)化后的解碼器平均解碼時(shí)間為46390 s；在中碼率條件下的原始解碼器耗費(fèi)時(shí)間為168153 s，而優(yōu)化后的解碼器平均解碼時(shí)間為108057 s；在低碼率條件下的原始解碼器耗費(fèi)時(shí)間為200132 s，而優(yōu)化后的解碼器平均解碼時(shí)間為102635 s；在普通樣本條件下的原始解碼器耗費(fèi)時(shí)間為240134 s，而優(yōu)化后的解碼器平均解碼時(shí)間為187564 s。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述分別對(duì)編碼器優(yōu)化性能和解碼器優(yōu)化性能進(jìn)行驗(yàn)證，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原始編解碼器無論是編碼速度還是解碼速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于優(yōu)化后的編解碼器，且時(shí)間也是比優(yōu)化后編解碼器耗費(fèi)較多，由此可知經(jīng)過優(yōu)化后的編解碼器平均耗費(fèi)時(shí)間較短，編解碼速度較快。

3 結(jié)束語

通過對(duì)編解碼器研究，以及ARM平臺(tái)分析，可充分了解編解碼流程和各個(gè)模塊功能，同時(shí)也對(duì)ARM平臺(tái)處理器機(jī)制進(jìn)行了更加深入了解。分別對(duì)編碼和解碼各個(gè)功能機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，可充分提高編解碼器整體性能，在完成針對(duì)編解碼模塊優(yōu)化后，整體性能有了較大程度提高，并通過實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)化后編解碼器無論是編碼速度還是解碼速度都比原始編碼器快，且耗費(fèi)時(shí)間短，可充分保證其整體性能的穩(wěn)定性，更有針對(duì)性地完成優(yōu)化工作。

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