摘要：在嵌入式手機開發(fā)平臺上實現(xiàn)視頻解碼處理的方法。首先介紹視頻解碼在嵌入式平臺上的處理流程，然后具體分析視頻解碼算法中各個關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)方法，最后對該平臺上的處理性能進行分析并給出結(jié)論。
關(guān)鍵詞：嵌入式平臺視頻解碼AVS-M
視頻業(yè)務(wù)作為下一代移動通信的重要應(yīng)用，已經(jīng)越來越受到重視。目前，很多高端移動通信設(shè)備和智能手機都提供嵌入式操作系統(tǒng)，支持第三方的小應(yīng)用程序。因此，在嵌入式手機平臺上開發(fā)視頻應(yīng)用具有很好的前景。但是，由于目前手機平臺資源有限，不能實現(xiàn)復(fù)雜性較高的實時視頻壓縮編碼，所以首先要實現(xiàn)視頻的解碼處理。下面介紹在嵌入式手機平臺上實現(xiàn)視頻解碼處理的方法及相應(yīng)結(jié)果。
1 系統(tǒng)處理流程
在嵌入式平臺上實現(xiàn)的視頻解碼可以分為系統(tǒng)設(shè)置(包括操作系統(tǒng)初始化等)和視頻解碼處理兩部分。處理流程如圖l所示。

1．1 系統(tǒng)設(shè)置
完成初始化系統(tǒng)，調(diào)用系統(tǒng)程序完成CPU初始化，配置寄存器以確保存儲器訪問正確。對嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核進行初始化，以μITRON操作系統(tǒng)為例，調(diào)用vs_ta_knl和ivsta_knl實現(xiàn)操作系統(tǒng)初始化。初始化過程主要包括：
(1)設(shè)置終端寄存器和矢量寄存器(VBR)等關(guān)鍵寄存器。
(2)初始化內(nèi)核工作區(qū)。
(3)創(chuàng)建初始化定義對象。
(4)啟動生成的系統(tǒng)初始化程序，包括定時器(timer)、存儲管理單元(MMU)等。
(5)轉(zhuǎn)向多任務(wù)進程(MultiTasking)，并開始第一個任務(wù)。
由于視頻解碼算法采用C語言實現(xiàn)，因此還要完成任務(wù)的配置和初始化等工作以及C語言運行環(huán)境配置等。
在完成操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化之后，程序進入多任務(wù)狀態(tài)，其中視頻解碼處理部分作為主任務(wù)開始執(zhí)行。
1．2 視頻解碼處理
視頻解碼處理部分是整個系統(tǒng)的主任務(wù)其第一步仍然是任務(wù)配置和初始化。首先通過寄存器配置啟動CACHE并初始化，主要完成指令CACHE(IC)、操作數(shù)CACHE(0C)使能以及其他必需的模塊操作。接下來初始化LCD顯示模塊，包括設(shè)置LCD初始化參數(shù)、LCD驅(qū)動參數(shù)及LCD繪圖參數(shù)。RGB轉(zhuǎn)換單元初始化用于使能視頻引擎單元及視頻色彩空間的轉(zhuǎn)換。
在解碼開始前，先對解碼參數(shù)初始化，包括分配存儲和倒換緩沖區(qū)、初始化查找表等。而后通過解析壓縮的標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù)流獲取序列和圖像參數(shù)集及標(biāo)記信息。若解析得到的信息顯示存在一幀圖像數(shù)據(jù)，則進入主處理模塊進行圖像解碼；否則釋放資源，任務(wù)結(jié)束。在每一幀圖像解碼完成后，通常得到Y(jié)CbCr格式的數(shù)據(jù)，通過RGB轉(zhuǎn)換單元變換成可在LCD顯示的RGB格式的數(shù)據(jù)(后處理)，送入相應(yīng)的緩沖區(qū)，實現(xiàn)LED顯示。然后繼續(xù)解析碼流，直到完成整個序列的解碼、顯示。最后釋放資源，任務(wù)結(jié)束。
2 視頻解碼算法實現(xiàn)
目前，比較流行的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG4和H．264。其中H.264的壓縮效率和圖像質(zhì)量在同等條件下要優(yōu)于MPFEC4，同時也更適合移動應(yīng)用。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的移動視頻標(biāo)準(zhǔn)AVS-M也在制定。AVS-M與H.264Basehne在標(biāo)準(zhǔn)框架上有很多相似之處，下面對這兩種標(biāo)準(zhǔn)中采用的關(guān)鍵處理模塊進行分析。
由于嵌入式移動終端的主頻和存儲資源有限，因此實現(xiàn)視頻解碼的關(guān)鍵在于如何優(yōu)化程序，提高執(zhí)行效率，降低存儲需求。針對嵌入式處理器的特點，考慮到資源的有效利用，在實現(xiàn)視頻解碼過程中應(yīng)采用下列策略：
(1)優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高指針和數(shù)組的尋址效率等。
(2)改善數(shù)據(jù)處理流程。例如將解碼過程中宏塊的預(yù)測模式、運動矢量的初始化在幀一級實現(xiàn)，通過模塊模糊化盡可能減少各個模塊之間數(shù)據(jù)緩存的倒換等。
(3)充分利用硬件平臺特點。例如提高CACHE命中率、有效利用片上存儲資源、實現(xiàn)軟件流水等。
以AVS-M為例，對標(biāo)準(zhǔn)視頻序列總線進行測試，得到如表l所示的視頻解碼算法中各部分的處理時間比例。

在解碼過程中，反量化／反變換模塊、運動補償模塊和重構(gòu)模塊占用了大部分處理資源，因此這里主要考慮對這三個模塊的處理。
2．1 反量化／反變換
為降低運算量，H.264基線和AVS-M的變換采用整數(shù)離散余弦的4×4變換，變換矩陣由全部是整數(shù)的核心矩陣和系數(shù)矩陣組成。系數(shù)矩陣與量化過程結(jié)合，變換部分就成為可逆的整數(shù)變換。視頻解碼過程中，從碼流解析出每個4×4塊的量化系數(shù)進行反量化和反變換，生成該4×4數(shù)據(jù)塊的參差矩陣，與預(yù)測矩陣共同重構(gòu)出解碼圖像塊。實現(xiàn)此功能可采取以下策略：
(1)將4×4量化系數(shù)矩陣用一維數(shù)組來表示，避免在每次取操作數(shù)時兩次尋址，提高尋址效率。
(2)在同一個模塊實現(xiàn)反量化、反變換和重構(gòu)。整個操作過程均針對存放16個量化系數(shù)的數(shù)組進行，每完成一個運算過程直接更新數(shù)組相應(yīng)的元素，從而避免塊數(shù)據(jù)的倒換。完成該操作后即得到解碼圖像塊。
(3)將重構(gòu)過程中的兩重4次循環(huán)的內(nèi)循環(huán)打開，實現(xiàn)軟件流水。也可以在整個宏塊的所有4×4塊均完成反量化和反變換后對兩重16次循環(huán)采用軟件流水，這樣可必提高速度，但增加了存儲資源占用。
(4)反量化過程采用查找表實現(xiàn)，降低了運算復(fù)雜性。查找表存入CACHE，可提高訪問速度。
采用上述方法可大大提高處理速度，同時節(jié)省存儲資源。
2.2 運動補償
為降低碼率，H.264和AVS-M采用1/4像素精度的亮度插值預(yù)測和1/8像素精度的色度插值預(yù)測。插值過程占用了運動補償?shù)拇蟛糠謺r間。因此，在處理運動補償時。應(yīng)采用如下策略：
(1)并行他處理。視頻處理中，1/2像素插值通過水平FIR濾波器和垂直FIR濾波器實現(xiàn)。對于亮度插值，每個像素點的取值范圍在[O，255],濾波器抽頭系數(shù)在[-63，64]之間．每個插值計算的結(jié)果不會超出[-6630，22950]，因此可以用16位運算器實現(xiàn)。而目前采用的嵌入式處理器至少是32位的，因此在每個指令周期可以并行完成至少兩個插值運算，進而大大減少了插值運算時間。
(2)預(yù)擴展參考圖像邊界。對于帖間預(yù)測，預(yù)測數(shù)據(jù)塊根據(jù)運動矢量在參考圖像中確定預(yù)測參考塊(根據(jù)運動矢量的取值，參考塊數(shù)據(jù)可以是參考像素值，也可以是1/2像素或1／4像素插值結(jié)果)。當(dāng)運動矢量指向的參考樣本超出圖像參考邊界時，需要使用圖像內(nèi)距離該參考樣本最近的整數(shù)樣本代替。如果每次在參考樣本超出邊界時進行判。斷和賦值，則會增加判斷次數(shù)并會導(dǎo)致軟件流水中斷。為此，可以預(yù)先將參考圖像根據(jù)邊緣像素值做水平和垂直擴展。參考樣本全在參考圖像外面時，不論運動矢量延伸多大，所得到的預(yù)測塊像素值都是相同的，可以將擴展的寬度設(shè)定為宏塊的寬，高度以確保結(jié)果的正確性。這樣就不再需要判斷，同時解決了軟件流水問題。
(3)提高CACHE命中率。由于CACHE的存儲空間有限，不可能將參考圖像全部放入CACHE，因此考慮根據(jù)運動矢量的統(tǒng)計特性將最有可能的參考樣本放入CACHE，用以提高命中率。

由表2可知，大多數(shù)測試序列基本可以達到實時解碼(15幀/秒)。目前市場上的主流智能手機的主頻在150MHz以上，而視頻格式通常采用QCIF(大小為176×144)或近似大小的視頻格式，遠小于未來的主流視頻格式——QVGA。因此，該嵌入式視頻處理系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于移動終端產(chǎn)品。