针对PXA27X微处理器开发平台进行MPEG-4视频编码的优化

随着社会的发展，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。 MPEG-4编解码的基本思想是基于图像内容的第二代视频编解码方案，并将基于合成的编码方案也结合在标准中。它根据图像的内容将图像分割成不同的视频对象VO（Video Object），在编码过程中对前景对象和后景对象采用不同的编码策略，对于人们所关心的前景对象，则尽可能的保持对象的细节及平滑，而对不大关心的后景对象采用大压缩比的编码策略。

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-4按照如下五个层次组织要编码的图像，从上至下依次为：视频段VS（Video Session）、视频对象VO（Video Object）、视频对象层VOL（Video Object Layer）、视频对象组层GOV（Group of Video Object Plane）、视频对象平面VOP（Video Object Plane）。 MPEG-4的编码流程：第一步是VO的形成（VO Formation），先要从原始视频流中分割出VO，之后由编码控制（Coding control）机制为不同的VO以及各个VO的三类信息分配码率，之后各个VO分别独立编码，最后将各个VO的码流。

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。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，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）。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2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

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。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。

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。

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。