ＭＰＥＧ－４编码器在Ｉｎｔｅｌ　ＰＸＡ２７Ｘ平台上的实现

2009-05-12邹涛易凡

现代电子技术 2009年2期

邹　涛　易　凡

摘要：提出基于Intel PXA27X微处理器开发平台，在Linux操作系统上实现MPEG－4编码软件设计。介绍了MPEG－4的视频标准、编码关键技术以及编码软件实现部分，并进行针对Intel PXA27X处理器软件的优化和实际平台的测试。测试结果表明作为商用PDA的MPEG－4编码可以满足用户的对视频的需求，其速度达到了20帧/s，且有较高的压缩率，码流比较平稳，并有较好的质量。

关键词：MPEG－4；Intel PXA27X；优化；Linux

中图分类号：TP368.2文献标识码：B

文章编号：1004 373X(2009)02 023 02

Implementation of MPEG－4 Encoder on the Intel PXA27X Embedded Platform

ZOU Tao，YI Fan

(School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan,430072,China)

Abstract：The thesis introduces the software designed implementation of MPEG－4 encoder based on Intel PXA27Xmicroprocessor,in the Linux operating system.The MPEG－4 standard,MPEG－4 encoder key technologies and implementation of MPEG－4 encoder software are introduced.software optimization and test through Intel PXA27X processor are finished,results show the MPEG－4 encoder of commercial PDA can satify the user′s shot need,which reaches 20 frames/s,it has high compression,steady bitrate and good quality.

Keywords：MPEG－4；Intel PXA27X；optimization；Linux

0 引言

随着人们对消费类电子产品（如PDA，MP4，HDTV等）需求不断增加，特别是对高质量高清晰多媒体的要求越来越高，因此视频质量已经成为广大消费者关注的焦点之一。在视频的格式方面，一些国际组织和大公司分别提出了自己的标准，如ISO组织的MPEG－2,MPEG－4,微软的WMV等。

针对Intel公司的PXA27X处理器（这是一个包含Intel Wireless MMX 技术基于Intel Xscale的处理器），以XVID MPEG－4为基础，针对MPEG－4在Linux操作系统中实现视频的编码要求。在此首先介绍MPEG－4视频标准，紧接着阐述MPEG－4视频标准的关键技术和

MPEG－4视频编码软件部分，最后还介绍了优化方法和实际平台的测试。

1 MPEG－4是视频标准

MPEG－4视频部分是MPEG－4标准［1］的核心内容之一。既提供传统的基于帧的编码方法又提供基于视频对象(VO)的编码方法。在某一时刻，视频对象以视频对象平面(VOP )的形式出现，图1所示为MPEG－4编码的框架［1,2］。编码也主要针对该时刻视频对象的形状、运动和纹理［1,2］这三类信息来进行。

2 MPEG－4视频编码关键技术

MPEG－4视频基于VOP的编码就是针对运动信息、形状信息和纹理信息［3,4］等3种信息的编码技术。

2.1 形状编码

MPEG－4首次引入形状信息的编码。VO的形状信息有2类:二值形状信息和灰度形状信息。二值形状信息用0,1表示VOP的形状。二值信息的编码采用基于块的运动补偿技术，可以无损或有损编码。灰度形状信息用0~255之间的数值表示VOP的透明程度。对灰度形状信息的编码是分别对二值形状及像素亮度值进行编码。目前对灰度形状信息的编码主要采用基于块的运动补偿与DCT方法，在不需要形状信息的应用中(譬如基于规则矩形框帧的视频编码)，形状编码会被屏蔽掉。这部分编码是以宏块为单位进行的。

2.2 运动估计与补偿编码

类似于现有的编码标准，MPEG－4采用运动预测和运动补偿技术来去除图像信息中的时间冗余成分，这些运动信息的编码技术可视为由现有标准向任意形状的VOP的延伸。VOP的编码有3种模式，即帧内编码模式(I－VOP )、帧间预测编码模式(P－VOP )和双向预测编码模式(B－VOP )。在MPEG－4中运动预测和运动补偿可以是基于16×16宏块的，也可以是基于8×8子块的。为了能适应任意形状的VOP,MPEG－4引入了图像填充技术和多边形匹配技术。图像填充技术利用VOP内部的像素值外推VOP外的像素值，以此获得运动预测的参考值。对于标准宏块，采用传统的基于块的运动估计和补偿技术。

2.3 纹理编码

VOP视频的纹理信息可以表示为亮度成分Y和两个色度成分Cr，Cb。е∧诒嗦肭榭鱿拢纹理信息包含有亮度和色度成分;运动补偿情况下，纹理信息表示经过运动补偿后的残差。纹理编码的对象可以是帧内编码模式的I－VOP，也可以是帧间预测编码模式B－VOP或P－VOP运动补偿后的预测误差。在帧内编码模式中，对于完全在VOP内的像素块，采用经典DCT方法。对于完全位于VOP之外的像素块则不进行编码:对于部分在VOP内，部分在VOP外的像素块首先采用图像填充技术获得VOP之外的像素值，之后再进行DCT编码。在帧间编码模式中，为了对B－VOP和P－VOP运动补偿后的预测误差进行编码，将那些位于VOP区域之外的像素值设为128。纹理编码过程如图1所示，DCT变换、量化、扫描及变长编码，这些过程与现有标准基本相同。

3 MPEG－4是视频编码软件

MPEG－4是软件编码是一个比较大的工程，项目用到的主要函数有：

mp4_encoder_init：初始化编码的参数，如视频大小尺寸、码流、缓冲大小；

encode_MPEG－4：编码调用的总函数，文本是基本层；

encode_pvop_MPEG－4 对P帧的VOP的编码的总函数；

ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST：运动搜索MVFAST（Motion Vector Field Adaptive Search Technique）。

下面是帧间宏块编码的函数：

encode_inter_mb_MPEG－4

(1) lookup_uvmv_MPEG－4:查找色度图像块的运动矢量；

(2) ippiComputeTextureErrorBlock_SAD_8u16s:计算块残余的纹理误差；

(3) encode_block_inter_MPEG－4：DCT变化和量化每块的系数。这还得反变化，来重构下帧的参考帧；

(4) create_mb_MPEG－4:得到宏块编码的信息；

(5) ippiEncodeMV_MPEG－4_8u16s：运动矢量和纹理残余的编码；

(6) ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG－4_16s1u：zigzig扫描和变长编码。

IPP的函数合理使用，可以提高性能。如ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST这个函数就比ippiMotionEstimation_16x16_MVFAST减少3倍时间。这个函数是占正个系统最多的时间之一。

4 MPEG－4是视频编码优化和结果

这里是针对Intel公司的PXA27X处理器，MPEG－4计算量复杂，特别是运动搜索，必须对其必要的优化［5－9］，以满足实时编码的要求。编译优化是静态优化，优化编译器可以自动完成程序段和代码块范围内的优化问题，但由于对算法的流程很难获取，所以人工优化是不必可少的。可使用内联函数，Wireless MMX 指令编写，如WLDRD 和WMACS，特别在对数据处理时，打包指令是必不可少的指令。合理分配指令周期流水线也是重点，如WLDRD需要4个周期，而WUNPCKEL只需要1个周期，使用IPP库函数将大量节约开发时间和提高性能等，按照实际的工程的需要编写指令。当然对算法的本身优化也不必可少，如运动搜索，运动补偿算法，将这些函数优化运算时间大量减少。还有对数据搬移方面，如何有效应用硬件资源也将提高运行的性能，如DMA、缓存、寄存器等。

这里的试验平台是南望信息产业有限公司PDA，主频可达624 MHz。视频大小（480×272）透过大量的试验，测试表明MPEG－4编码可以满足用户拍视频需求，速度可达到20帧/s，而且有较高的压缩率，码流比较低，质量也不错。图3，4为实际拍摄2帧图像。