基于H.264解码器的软件优化

1  引言

H.264是在ITU-T和ISO／IEC等组织先前制定的编码标准的基础上提出的，它与现今国际上大多数的视频压缩标准一样，例如H.264、H.263、MPEG-2、MPEG-4都是采用基于块的离散余弦变换与量化相结合的混合编码技术。基于分块的离散余弦变换具有压缩率高，计算复杂度低。易于实现等优点。H.264具有以下特点：比H.263+和MPEG-4(SP)减小50％码率；对信道时延的适应性较强；提高差错恢复能力；复杂度可分级设计，以适应不同复杂度的应用；引入先进技术，包括4×4整数变换、空域内的帧内预测、1／4像素精度的运动估计新技术带来较高的编码比，同时大大提高算法的复杂度。因此，H.264技术已广泛应用于高清视频的编解码设备。

视频解码算法的熵解码、反量化、反变换、帧内预测、帧间亮度插值、帧间色度插值以及去方块滤波等称为核心模块，减少这些核心模块的等待时间对加快解码器的工作具有重要意义。本文在DSP-BF533平台上，利用软件流水的思想，针对软件模块间协同工作提出一种新型的优化设计方案。

2 H.264解码器原理

H.264编码器结构系统由以下几部分组成：网络数据提取层(NAL)、VAL缓存器、熵解码、反扫描反量化反变换、帧间预测、帧内预测、图像参考帧缓存器、去方块滤波，如图1所示。首先从码流中获取NAL单元数据，通过RBSP解析出序列参数集、图像参数集和图像数据。把数据和参数存储在VCL缓存器中，然后再在视频编码层(VCL Table)中熵解码。熵解码模块(VLD)解析所有参数和参考图像索引等，提供各种控制信息和残差数据。通过反量化反变化先将一维数据转换成二维数组或矩阵，再通过逆扫描过程将变换系数量化值序列映射到对应坐标，主要有逆zig_zag扫描和逆场扫描两种模式。之后读取数据读取并进行判断、帧内预测和帧间预测，再综合所有预测和反变换反量化的数据，最后进行方块滤波，这样能够大大减轻因预测、量化而产生的块效应，从而获得更好的主观图像质量和客观性能。同时还可选取已恢复的图像作为后续处理图像的参考帧。

3 DSP-BF533的解码器设计与优化

3.1  解码器软件设计框图

根据DSP-BF533的内含存储器控制器(DMA)的特点，设计一个整合DMA的解码流程，如图2所示。把两个与DMA有关的步骤添加到普通解码器中，步骤1是从片外存储器中读取数据；步骤2是将已处理好的数据输出到片外存储器。

从图2中可看到具体流程：①对下一个宏块进行顶部数据分割，分割出残差数据之前的数据。同时为解码提供帧内预测、参考图像索引和向量；②启动DMA读取分割出来的数据，其中也要读入解码参考图像索引和向量；③对图像数据进行帧内预测；④利用底部分割读入的映射数据，进行反变换和反量化；⑤通过滤波重建图像；⑥通过DMA把图像数据输出到片外和片内存储器；⑦对下一个宏块进行底部数据分割，然后取出映射数据供下一个宏块解码使用嘲。

为了避免DSP内核等待DMA读人数据，把解码数据预先从宏块中分割成顶部数据和底部数据，顶部数据包括残差数据之前的数据，剩下的数据就是底部数据。如果有P帧到来时数据已事先分割，然后DMA启动。当DSP内核在解码当前宏块时，DMA读入下一个宏块。如果在当前宏块参考数据需要利用时，此数据解码完成后还可通过DMA输入到片内存储器。因为当前宏块顶部数据对下一个宏块的滤波没有参考价值，所以这些宏块顶部数据就被DMA传送到外部存储器。该设计第1个宏块未进入解码过程，因为初始状态时一系列参考图像和参数都没有设定，所以第1个宏块只是设定解码器参考图像和参数行初始化，为下一宏块解码使用。宏块数据的分割和DMA的数据读入都可在解码中并行执行，即执行当前宏块时可设定下一个宏块所需参数以及读入解码数据，这样可减少各模块间的等待时间，提高工作效率。上述可并行执行的过程如图2中以椭圆方框表示。

作者：任李悦 唐宁 滕舟   来源：中电网