ＭＰＥＧ－４編碼器在Ｉｎｔｅｌ　ＰＸＡ２７Ｘ平臺上的實現

鄒　濤　易　凡

摘 要：提出基于Intel PXA27X微處理器開發平臺，在Linux操作系統上實現MPEG－4編碼軟件設計。介紹了MPEG－4的視頻標準、編碼關鍵技術以及編碼軟件實現部分，并進行針對Intel PXA27X處理器軟件的優化和實際平臺的測試。測試結果表明作為商用PDA的MPEG－4編碼可以滿足用戶的對視頻的需求，其速度達到了20幀/s，且有較高的壓縮率，碼流比較平穩，并有較好的質量。

關鍵詞：MPEG－4；Intel PXA27X；優化；Linux

中圖分類號：TP368.2文獻標識碼：B

文章編號：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

隨著人們對消費類電子產品（如PDA，MP4，HDTV等）需求不斷增加，特別是對高質量高清晰多媒體的要求越來越高，因此視頻質量已經成為廣大消費者關注的焦點之一。在視頻的格式方面，一些國際組織和大公司分別提出了自己的標準，如ISO組織的MPEG－2,MPEG－4,微軟的WMV等。

針對Intel公司的PXA27X處理器（這是一個包含Intel Wireless MMX 技術基于Intel Xscale的處理器），以XVID MPEG－4為基礎，針對MPEG－4在Linux操作系統中實現視頻的編碼要求。在此首先介紹MPEG－4視頻標準，緊接著闡述MPEG－4視頻標準的關鍵技術和

MPEG－4視頻編碼軟件部分，最后還介紹了優化方法和實際平臺的測試。

1 MPEG－4是視頻標準

MPEG－4視頻部分是MPEG－4標準［1］的核心內容之一。既提供傳統的基于幀的編碼方法又提供基于視頻對象(VO)的編碼方法。在某一時刻，視頻對象以視頻對象平面(VOP )的形式出現，圖1所示為MPEG－4編碼的框架［1,2］。編碼也主要針對該時刻視頻對象的形狀、運動和紋理［1,2］這三類信息來進行。

2 MPEG－4視頻編碼關鍵技術

MPEG－4視頻基于VOP的編碼就是針對運動信息、形狀信息和紋理信息［3,4］等3種信息的編碼技術。

2.1 形狀編碼

MPEG－4首次引入形狀信息的編碼。VO的形狀信息有2類:二值形狀信息和灰度形狀信息。二值形狀信息用0,1表示VOP的形狀。二值信息的編碼采用基于塊的運動補償技術，可以無損或有損編碼。灰度形狀信息用0~255之間的數值表示VOP的透明程度。對灰度形狀信息的編碼是分別對二值形狀及像素亮度值進行編碼。目前對灰度形狀信息的編碼主要采用基于塊的運動補償與DCT方法，在不需要形狀信息的應用中(譬如基于規則矩形框幀的視頻編碼)，形狀編碼會被屏蔽掉。這部分編碼是以宏塊為單位進行的。

2.2 運動估計與補償編碼

類似于現有的編碼標準，MPEG－4采用運動預測和運動補償技術來去除圖像信息中的時間冗余成分，這些運動信息的編碼技術可視為由現有標準向任意形狀的VOP的延伸。VOP的編碼有3種模式，即幀內編碼模式(I－VOP )、幀間預測編碼模式(P－VOP )和雙向預測編碼模式(B－VOP )。在MPEG－4中運動預測和運動補償可以是基于16×16宏塊的，也可以是基于8×8子塊的。為了能適應任意形狀的VOP,MPEG－4引入了圖像填充技術和多邊形匹配技術。圖像填充技術利用VOP內部的像素值外推VOP外的像素值，以此獲得運動預測的參考值。對于標準宏塊，采用傳統的基于塊的運動估計和補償技術。

2.3 紋理編碼

VOP視頻的紋理信息可以表示為亮度成分Y和兩個色度成分Cr，Cb。е∧詒嗦肭榭魷攏紋理信息包含有亮度和色度成分;運動補償情況下，紋理信息表示經過運動補償后的殘差。紋理編碼的對象可以是幀內編碼模式的I－VOP，也可以是幀間預測編碼模式B－VOP或P－VOP運動補償后的預測誤差。在幀內編碼模式中，對于完全在VOP內的像素塊，采用經典DCT方法。對于完全位于VOP之外的像素塊則不進行編碼:對于部分在VOP內，部分在VOP外的像素塊首先采用圖像填充技術獲得VOP之外的像素值，之后再進行DCT編碼。在幀間編碼模式中，為了對B－VOP和P－VOP運動補償后的預測誤差進行編碼，將那些位于VOP區域之外的像素值設為128。紋理編碼過程如圖1所示，DCT變換、量化、掃描及變長編碼，這些過程與現有標準基本相同。

3 MPEG－4是視頻編碼軟件

MPEG－4是軟件編碼是一個比較大的工程，項目用到的主要函數有：

mp4_encoder_init：初始化編碼的參數，如視頻大小尺寸、碼流、緩沖大小；

encode_MPEG－4：編碼調用的總函數，文本是基本層；

encode_pvop_MPEG－4 對P幀的VOP的編碼的總函數；

ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST：運動搜索MVFAST（Motion Vector Field Adaptive Search Technique）。

下面是幀間宏塊編碼的函數：

encode_inter_mb_MPEG－4

(1) lookup_uvmv_MPEG－4:查找色度圖像塊的運動矢量；

(2) ippiComputeTextureErrorBlock_SAD_8u16s:計算塊殘余的紋理誤差；

(3) encode_block_inter_MPEG－4：DCT變化和量化每塊的系數。這還得反變化，來重構下幀的參考幀；

(4) create_mb_MPEG－4:得到宏塊編碼的信息；

(5) ippiEncodeMV_MPEG－4_8u16s：運動矢量和紋理殘余的編碼；

(6) ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG－4_16s1u：zigzig掃描和變長編碼。

IPP的函數合理使用，可以提高性能。如ippiBlockMatch_Integer_16x16_MVFAST這個函數就比ippiMotionEstimation_16x16_MVFAST減少3倍時間。這個函數是占正個系統最多的時間之一。

4 MPEG－4是視頻編碼優化和結果

這里是針對Intel公司的PXA27X處理器，MPEG－4計算量復雜，特別是運動搜索，必須對其必要的優化［5－9］，以滿足實時編碼的要求。編譯優化是靜態優化，優化編譯器可以自動完成程序段和代碼塊范圍內的優化問題，但由于對算法的流程很難獲取，所以人工優化是不必可少的。可使用內聯函數，Wireless MMX 指令編寫，如WLDRD 和WMACS，特別在對數據處理時，打包指令是必不可少的指令。合理分配指令周期流水線也是重點，如WLDRD需要4個周期，而WUNPCKEL只需要1個周期，使用IPP庫函數將大量節約開發時間和提高性能等，按照實際的工程的需要編寫指令。當然對算法的本身優化也不必可少，如運動搜索，運動補償算法，將這些函數優化運算時間大量減少。還有對數據搬移方面，如何有效應用硬件資源也將提高運行的性能，如DMA、緩存、寄存器等。

這里的試驗平臺是南望信息產業有限公司PDA，主頻可達624 MHz。視頻大小（480×272）透過大量的試驗，測試表明MPEG－4編碼可以滿足用戶拍視頻需求，速度可達到20幀/s，而且有較高的壓縮率，碼流比較低，質量也不錯。圖3，4為實際拍攝2幀圖像。

5 結 語

針對Intel公司的PXA27X微處理器開發平臺，在Linux操作系統中實現視頻編碼的功能。但是消費類產品對視頻的畫面有更高的要求，同時由于視頻編碼需要消耗大量的電源，電源的管理仍是視頻開發的研究重點。

參考文獻

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作者簡介 鄒 濤 微電子與固體電子學碩士。主要研究方向為信息處理與微系統。