1 引 言

近年来，随着网络和多媒体技术的发展，视频信息通信的重要性和需求急剧增长，而其中的关键就在于视频压缩编码技术的应用。文献[1]曾提出了一种基于tms320dm642 dsp的视频编码方案，实现了h.264算法。同h.264相比，mpeg4具有软硬件开发成本低和更容易实现的优势，是目前视频编码应用的主流。本文提出了一种基于tms320dm642 dsp的mpeg4视频编码器的实现方法，该方案可用于远程视频监控、视频会议等诸多领域。

mpeg4是由国际运动图像专家组(mpeg)开发制定的国际通用视频压缩编码标准，目前已经发展成为可适应不同传输带宽、可用最少的数据来获得最佳质量图像的高效压缩算法和工具。mpeg采用了dct、量化、熵编码等算法，通过对形状、运动、纹理等信息的分析，消除图像数据在时间和空间上的相关性，具有高效压缩性及普遍适用性等独特优势，为视频信息高效存储、传输提供了方便。

mpeg4为不同的应用对应的码率、分辨率、质量和服务定义了编码器和码流的不同框架和级别，其中的简单框架提供了对矩形视频对象的编码功能。本文所实现的就是mpeg4视频编码算法的简单框架。

2 mpeg4编码器硬件平台

实现mpeg4编码器的硬件平台以tms320dm642dsp为核心，并配合以适当的外部存储器sdram，flash等外围设备。

2.1 tms320dm642特性

tms320dm642是ti为多媒体应用而开发的基于c64x内核的高性能定点数字信号处理器，时钟频率600 mhz，最高处理能力可达4 800 mips。dm642具有c6000系列dsp的公共定点指令集，增加了多媒体扩展指令，可以更加方便快速地执行图像处理中的算法。dm642的这些特点，使其非常适合于视频图像处理，是实现mpeg4视频编码器的理想硬件平台。

2.2 硬件系统结构

编码器的硬件平台如图1所示，图中dm642作为整个系统的核心，对视频数据进行高速处理，完成mpeg4编码算法；可编程视频格式转换电路将输入的原始视频数据进行预处理，转换成编码器可接受的视频格式的数字信号；e2prom和flash用来固化应用程序和初始化参数，sdram作为片外存储器，在编码过程中存储待处理的视频数据，以上三者通过emif总线与dm642连接；通过jtag接口，利用ccs，可方便地实现系统软硬件仿真与调试；实时时钟为数字视频提供实时时间基准信息。

3 mpeg4编码器的软件实现和优化

3.1 mpeg4的软件实现

mpeg4是一个开放的框架标准，并没有规定具体的算法和程序，用户可根据需要自行开发代码，我们采用了xvid 1.1.0开放源码来实现mpeg4编码器。xvid代码实现了mpeg4的简单框架算法，不需要形状编码，只对i-vop和p-vop进行编码。但xvid是针对pc机应用而设计开发的，要将他移植到dsp中，必须对代码进行分析，结合dsp的指令结构和特点进行修改。

xvid代码实现的mpeg4编码器，以原始视频数据中的每一帧作为一个视频对象，首先判断是i帧还是p帧，i帧需要对整帧图像数据进行编码存储，p帧则进行运动估计和补偿，只编码当前帧与参考帧之间的图像残差和运动矢量。每帧数据都被分为16×16宏块，每个宏块又分为8×8子块，在宏块和子块的基础上进行dct、量化、vlc编码。基于不高的图像质量需求，我们减化了xvid的某些功能，如gmc(全局运动补偿)、rvlc等，减少了代码运算量，降低了复杂度。

3.2 代码优化

为提高代码执行效率，必须结合dsp的特点对代码进行优化，优化主要分为3个层次：

3.2.1 项目级优化

ti提供了功能强大的集成开发环境ccs，包含了各种高效的编译工具，在代码编译过程中，通过使用编译器提供的编译选项(如-o3和-pm等)，编译器可自动改善代码结构，减少代码中指令的相关性，通过软件流水等方法，提高指令并行性，改善循环性能，并可以优化代码的尺寸。

3.2.2 c语言程序级优化

通过使用ccs中的profile工具，对c代码进行评估，找出运算量最大的程序段，如dct、量化、运动估计等，这部分代码的优化对提高编码器性能有显著影响，我们采用了以下c程序级优化方法：

(1) 使用c6000 dsp特有的关键字和内联函数来改写c代码，如使用关键字restrict可消除数据间的相关性以提高代码并行执行能力，而使用内联函数(如_add2()，nassert())可快速优化c代码，作为直接映射为内联c6000指令的特殊函数，可提高代码在dsp中的执行效率。

(2) 使用整型访问短型数据，使用32位整型一次访问2个16位短型数据，分别存放在32位寄存器的高、低16位字段，可减少对内存的访问次数，将程序读取数据的效率提高一倍，再使用能同时对2个寄存器对应高低16位进行操作的内联函数，如add2()；mpy2()等，可大大提高代码执行效率。

(3) 采用循环展开的方法，将多循环变为少循环甚至单循环，减少循环嵌套，消除冗余循环，可以提高指令并行执行的程度。

(4) dsp没有专门的硬件除法运算单元，除法都用连续减法实现，运算量比较大，所以要尽量减少除法运算，不能减少的除法用移位运算来实现，可减少运算耗时。

(5)使用ti图像库函数。ti提供了功能强大的im-age库支持，包括了很多图像处理常用函数，如8×8子块的dct变换(img_fdct_8×8)、sad计算(img_sad_8×8)，这些函数都是优化过的，代码效率很高，可直接应用到程序中。

3.2.3 汇编程序级优化

线性汇编语言是c6000系列dsp所特有的一种编程语言，类似汇编，但不需要给出指令使用的功能单元、寄存器、并行性等细节信息，汇编优化器可根据代码情况自动确定。我们将代码中运算量大、调用频率高的关键部分用线性汇编进行了改写，如量化、dct、sad等模块，进一步优化了循环迭代、提高了指令的并行性效果。表2给出了改写前后几个函数模块程序对3帧foreman.qcif测试序列编码时消耗的时钟周期数对比。

3.3 存储空间的配置

dsp的片上存储空间有限，编码器要处理的大量视频数据(包括当前帧和参考帧等图像)必须放在片外，而cpu访问片外的速度要比访问片内慢很多。利用dm642的edma功能，cpu对前一帧数据编码的同时，通过ed-ma通道提前将片外的数据搬移到片上内存，二者并行工作，提高了数据由片外传输至片内的效率，可减少cpu等待时间。

3.4 实验结果

使用编码器对标准qcif格式(176×144)测试序列进行编码来测试编码器性能，其中news序列300帧，suzie序列150帧，foreman序列400帧，通过ti的集成开发环境ccs 2.0进行硬件仿真实验，在设定码率为100 b／s的条件下，结果如表3所示。

通过分析测试序列编码结果，编码器的编码速率达到25 fps以上，可以满足实时编码的要求。在传输码率降低的情况下，编码速率还可以进一步提高。从编码结果可以发现，不同测试序列编码前后的压缩比不同，这是由于测试序列图像的运动情况、背景变换造成的，如suzie序列背景单一，运动缓和，压缩比较高，而news序列由于背景不断变换，压缩比就相对较低。通过对比编码前和编码后解码得到的图像，画面无失真现象，图像质量并没有明显下降。

4 结 语

本文探讨了mpeg4编码器在dm642上的实现方案和优化的方法，实现了mpeg4编码的简单框架算法。实验结果表明，本文所提出的方案具有较高的易实现性和实用性，增加和改进的代码优化方法是有效的，性能测试获得了满意的效果。在此基础上，我们还可进一步对实现mpeg4高级框架和代码优化方法的改进，进行更深入地研究，以满足更高的应用要求。

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