MPEG一4编码器在Intel PXA27X平台上的实现

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一4编码软件设计。介绍了MPEG一4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一4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一4；Intel PXA27X；优化；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一2，MPEG一4，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一4为基础，针对MPEG一4在Linux操作系统中实现视频的编码要求。在此首先介绍MPEG一4视频标准，紧接着阐述MPEG-4视频标准的关键技术和MPEG一4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。

l MPEG一4是视频标准
    MPEG一4视频部分是MPEG一4标准的核心内容之一。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一4编码的框架。编码也主要针对该时刻视频对象的形状、运动和纹理这三类信息来进行。

2 MPEG一4视频编码关键技术
    MPEG一4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等3种信息的编码技术。
2．1 形状编码
    MPEG一4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一4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MFEG一4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一4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。帧内编码情况下，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一4是视频编码软件
    MPEG一4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一4：编码调用的总函数，文本是基本层；
    encode_pvop_MPEG一4对P帧的VOP的编码的总函数；
    ippiBlockMatcn_Imeger_16x16_MVFAST：运动搜索MVFAST(Motion Vector Field AdaDtive Search Technique)。
    下面是帧间宏块编码的函数：
    encode_inter_mb_MPEG一4
    (1)lookup_uvmv_MPEG一4：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一4：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一4：得到宏块编码的信息；
    (5)ippiEncodeMV_MPEG一4_8u16s：运动矢量和纹理残余的编码；
    (6)ippiEncodeVLCZigzag_Inter_MPEG一4_16slu：zigzig扫描和变长编码。
    IPP的函数合理使用，可以提高性能。如ip—piBlockMatch_InIeger_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一4是视频编码优化和结果
    这里是针对Intel公司的PXA27X处理器，MPEG一4计算量复杂，特别是运动搜索，必须对其必要的优化，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WUN—PCKEL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一4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。

5 结 语
    针对Intel公司的PXA27X微处理器开发平台，在Linux操作系统中实现视频编码的功能。但是消费类产品对视频的画面有更高的要求，同时由于视频编码需要消耗大量的电源，电源的管理仍是视频开发的研究重点。