1 硬件平臺
1.1 ADSP-BF561處理器
ADSP-BF561的推出使Analog Devices公司的Blackfin處理器系列得到了進一步的擴充，這款器件具有由兩個Blackfin處理器內核構成的對稱多處理結構。相比ADSP-BF533，ADSP-BF561可提供兩倍的信號處理性能、兩倍的片上處理器以及顯著提高的數據帶寬能力。ADSP-BF561與ADSP-BF533完全代碼兼容，并利用架構的動態電源管理能力而繼續保持了非常低的功耗。
Blackfin561是Blackfin系列中的一款高性能定點DSP視頻處理芯片。ADSP-BF561集成了兩個工作頻率均高達756MHz的Blackfin處理器內核(ADI公司還提供了低成本的500MHz和600MHz版本)和2.6Mbytes的片上SRAM存儲器。ADSP-BF561片上存儲器被分配于每個內核的專用、高速L1存儲器和一個128KBytes大容量共享L2存儲器之間。32位外部端口和雙16通道DMA控制器提供了極高的數據帶寬。ADSP-BF561片上外設包括兩個并行外設接口(均支持ITU-R 656視頻格式化)和支持I2S格式的高速串行端口。ADSP-BF561專門針對各種消費類多媒體應用進行了優化。
1.2 基于ADSP-BF561的視頻編碼器平臺
此評估板包括1塊ADSP-BF561處理器、32MBSDRAM和4MBFlash，板中的AD-V1836音頻編解碼器可外接4輸入/6輸出音頻接口，而ADV7183視頻解碼器和ADV7171視頻編碼器則可外接3輸入/3輸出視頻接口此外，該評估板還包括1個UART接口、1個USB調試接口和1個JTAG調試接口。攝像頭輸入的模擬視頻信號經視頻芯片ADV7183A轉化為數字信號，此信號從Blackfin561的PPI1(并行外部接口)進入Blackfin561芯片進行壓縮，壓縮后的碼流則經ADV7179轉換后從ADSP-BF561的PPI2口輸出。此系統可通過Flash加載程序，并支持串口及網絡傳輸。編碼過程中的原始圖像、參考幀等數據可存儲在SDRAM中。
2 H.264視頻壓縮編碼算法的主要特點
H.264壓縮算法和以太網(IP)接口，可實現1路單向數字視頻、2路雙向高保真音頻、1～2路雙向異步數據在以太網上高質量傳輸。視頻編解碼標準主要包括兩個系列：一個是MPEG系列，一個是H.26X系列。其中MPEG系列標準由ISO/IEC組織制定，H.26X系列標準由ITU-T制定。
H.264視頻壓縮算法采用與H.263和MPEG-4類似的、基于塊的混和編碼方法，它采用幀內編碼(Intra)和幀間編碼(Inter)兩種編碼模式。與以往的編碼標準相比，為了提高編碼效率、壓縮比和圖像質量，H.264采用了以下全新的編碼技術：
(1)H.264按功能將視頻編碼系統分為視頻編碼層(VCL，VideoCodingLayer)和網絡抽象層(NAL，NetworkAbstractionLayer)兩個層次。其中VCL用于完成對視頻序列的高效壓縮，NAL則用于規范視頻數據的格式，主要提供頭部信息以適合各種媒體的傳輸和存儲。
(2)先進的幀內預測，它對含有較多空域細節信息的宏塊采用4×4預測，而對于較平坦的區域則采用16×16的預測模式，前者有9種預測方法，后者有4種預測方法。
(3)幀間預測采用更多的塊劃分種類，標準中定義了7種不同尺寸和形狀的宏塊分割和子宏塊分割。由于采用更小的塊和自適應編碼方式，故可使得預測殘差的數據量減少，從而進一步降低了碼率。
(4)1/4采樣精度運動補償：以前的標準最多1/2精度運動補償，首次1/4采樣精度運動補償出現在MPEG-4第二部分高級類部分，但H.264/AVC大大減少了內插處理的復雜度。
(5) 改善“跳過”和“直接”運動推測：在以前的標準中，預測編碼圖像的“跳過”區不能有運動。當編碼有全局運動的圖像時，該限制有害。H.264/AVC對“跳過”區的運動采用推測方法。對雙預測的B幀圖像，采用高級運動預測方法，稱為“直接”運動補償，進一步改善編碼效率。
(6)整數變換(DCT/IDCT)。對殘差圖像的4×4整數變換技術，采用定點運算來代替以往DCT變換中的浮點運算。以降低編碼時間，同時也更適合到硬件平臺的移植。
(7)H.264/AVC支持兩種熵編碼方法，即CAVLC(基于上下文的自適應可變長編碼)和CABAC(基于上下文的自適應算術編碼)。其中CAVLC的抗差錯能力比較高，但編碼效率比CABAC低；而CABAC的編碼效率高，但需要的計算量和存儲容量更大。
(8)多參考圖像運動補償：在MPEG-4及以前的標準中，P幀只使用一幀，B幀只使用兩幀圖像進行預測。H.264/AVC使用高級圖像選擇技術，可以用以前已編碼過且保留在緩沖區的大量的圖像進行預測，大大提高了編碼效率。
H.264的這些新技術使運動圖像壓縮技術向前邁進了一大步，它具有優于MPEG-4和H.263的壓縮性能，可應用于因特網、數字視頻、DVD及電視廣播等高性能視頻壓縮領域。
3 H.264視頻編碼算法的實現
將H.264在DSP進行改進要經過以下3個步驟：PC機上的C算法優化、從PC機到DSP的程序移植、在DSP平臺上的代碼優化。
3.1 PC機上的C算法優化
根據系統要求，本設計選擇了ITU的Jm8.5版本baselineprofile作為標準算法軟件。ITU的參考軟件JM是基于PC機設計的，故可取得較高的編碼效果。將視頻編解碼軟件移植到DSP時，應考慮到DSP系統資源，主要應考慮的因素是系統空間，需要對原始的C代碼進行評估，這就需要對所移植的代碼有所了解。
了解了算法結構以后，還需要確定在編碼算法的實現過程中，運算量較大且耗時較長的部分。VC6自帶的profile分析工具顯示：幀內與幀間編碼部分占用了整體運行時間的60%以上。其中ME(MoveEstimation，運動估計)又占用了其中較多的時間。
(1)大幅刪減不必要的文件和函數
由于選用了baseline和單一參考幀，因此，很多文件和函數都可以刪減，包括有關B幀、SI片、SP片和數據分割、分層編碼、權值預測模式、CABAC編碼模式等不支持特性的冗余程序代碼，此外，還可以刪除top_pic、bottom_pic等與場有關的全局變量與局部變量、分層編碼、多slice分割以及FMO、與場編碼/幀場自適應編碼/宏塊自適應編碼有關的預測、參考幀排序、輸入輸出以及解碼器緩存操作等；也可以刪除隨機幀內宏塊刷新模式和權值預測模式等相關的冗余代碼，同時刪除rtp.c；sei.c中包含一些輔助編碼信息(并不編入碼流中)，如果不用，也可以刪除leaky_bucket.c用于計算泄漏緩存器的參數。
(2)配置函數的改寫
由于JM的系統參數配置是通過讀取encoder.cfg文件來實現的，故可將參數配置由讀取文件改為通過初始化集中賦值函數來實現，這樣既減少了代碼量，又減少了對有限內存空間的占用和讀取時間，提高了編碼器整體的編碼速度。
(3)去除冗余的打印信息
為了調試與算法改進的方便，JM保留了大量的打印信息。為了提高編碼速度，減少存儲空間消耗，這些信息完全可以刪掉。如果lor.dat和stat.dat僅需在PC機上調試時使用，也沒必要移植到DSP平臺上，跟這部分相關的代碼完全可以去除。但是，調試時所需的基本信息(如碼率、信噪比、編碼序列等)則應保留參考。
通過調整可使得代碼的結構、容量更加精簡，從而為接下來在DSP上的移植做好準備。
3.2 從PC機到DSP的程序移植
要將PC端精簡的程序移植到ADSP-BF561的開發環境VisualDSP下，以使其能夠初步運行，所需考慮的主要是語法規則和內存分配等問題。
(1)除去所有編譯環境不支持的函數
(2)添加與硬件相關的代碼
(3)配置LDF文件
(4)Malloc問題的解決
4 DSP平臺上的代碼優化
在VisualDSP開發環境下對代碼進行優化的主要方法有C語言級優化和匯編級優化。
4.1 C語言級優化
通過VC6的profile分析工具發現：移植與優化的重點應在運動估計部分。DS算法可采用兩種搜索模板，分別是有9個檢索點的大模板LD-SP和有5個檢索點的小模板SDSP(SmallDiamondSearchPattern)。搜索時，先用大模板計算，當最小塊誤差SAD點出現在中心點處時，再將大模板LDSP換為SDSP進行匹配運算，這時，5個點中具有最小SAD者若為中心點，則該點即為最優匹配點，然后結束搜索，否則將繼續以此點為搜索中心進行SPSS搜索。
經JM實驗證實，采用此種方法，可以節約大約10%的運行時間，且代碼量無太大增長。
針對DSP的特點和相關的硬件指令，設計時可對代碼進行如下優化：
◇對程序結構進行調整。對不適合DSP執行的語句進行改寫，以提高代碼的并行性。
◇宏的使用。也就是將有些較短，執行單一、調用次數多的函數改為宏。
◇循環優化是將C語言中的for循環打開，排流水線，提高并行性。
◇浮點數定點化。因為Blackfin561并不支持浮點運算，但原始程序代碼卻是浮點運算的格式，所以必須改成定點運算，而其修改后的執行速度也會加快很多。
◇盡量用邏輯運算代替乘除運算。由于乘除運算指令的執行時間要遠遠大于邏輯移位指令，尤其是除法指令，故應盡量用邏輯移位運算來代替乘除運算，以加快指令的運行速度。
◇減少判斷轉換。
◇盡量靜態分配內存。
◇調用系統提供的豐富的內聯函數。
此外，為了充分發揮DSP的運算能力，還必須從它的硬件結構出發，最大限度地利用它的8個功能單元，使用軟件流水線盡量讓程序無沖突地并行執行。也可將最耗時的函數抽取出來，用線性匯編改寫，從而最大限度的利用DSP的并行性。
4.2 匯編級優化
匯編級優化主要指如下幾點操作：
(1)使用寄存器資源
Blackfin561提供了8個32位數據寄存器以及一系列的地址寄存器。使用寄存器代替局部變量時，若局部變量用來保存中間結果，那么用寄存器代替局部變量可省掉很多訪問內存的時間。
(2)使用專用指令
Blackfin561提供有求最大值、最小值、絕對值、CUP及大量視頻專用指令，應可能用多位的指令來訪問少位的數據。通過使用這些指令能大大提高代碼的執行速度。如用int型(32位)訪問2個short(16位)型數據時，可將其分別放在32位寄存器的高16位和低16位字段。這樣，數據讀取效率可以提高1倍，從而減少內存訪問次數。
(3)使用并行指令和向量指令
ADSP-BF561中每條通用指令都可以和一條或兩條存儲器訪問指令并列執行，這樣有利于ADSP-BF561的流水線滿負荷運行，更充分發揮ADSP-BF561的數據處理能力。
(4)合理存放反復調用的程序段
把被反復調用的程序段(如DCT變換和IDCT變換)放在片內程序存儲區中，把頻繁用到的數據段(如編碼表)放在片內數據存儲器中，而把不常用到的程序和數據段放在片外存儲器中，以避免對程序或數據進行不必要的反復搬移。
(5)合理使用內外存儲器
BF561片內只有256KB的存儲空間，因此當前幀、參考幀和當前幀的重建幀都必須放至片外存儲器，壓縮碼流若被主機讀取，也可放至片外。其它數據如程序代碼、全局變量、VLC碼表、各編碼模塊產生的中間數據等均可放至片內。
(6)DMA的使用
由于CPU訪問片外存儲器的速度通常要比訪問片內慢幾十倍，片外數據的傳輸通常成為程序運行時的瓶頸，這樣，即使代碼效率很高，流水線也會因為等待數據而被嚴重阻塞。解決這一問題的有效方法是用DMA傳送數據。程序是逐個宏塊進行編碼的，在編碼當前宏塊的同時，先由DMA將下一個宏塊的數據、用到的參考幀數據由片外傳送至片內，當前宏塊做完運動補償后，DMA又將重建后的宏塊由片內傳送至片外。這樣CPU只對片內數據進行操作，從而使流水線可以順利進行，而壓縮碼流按逐個碼字有時間間隔地寫入，可由CPU直接寫至片外。
5 結束語
經過用ADSP-BF561匯編語言改寫的對應函數的優化程序經調試運行后，DCT，IDCT部分效率提高了大約15倍，去塊濾波部分效率提高了大約6～7倍。對于模塊中的其它部分函數，也同樣取得了良好的優化結果。說明其優化工作確實達到了良好的效果。
