电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛

标题: 基于ARM的MPEG4视频解码器 [打印本页]

作者: yuyang911220 时间: 2017-3-21 16:46 标题: 基于ARM的MPEG4视频解码器

半像素补偿可由x=(A+B+1-rounding_control)/2来实现。式中： A和B为参考帧中两个相邻的像素数据；rounding_control可取0或1。
按照补偿公式对上述两个寄存器进行相加移位操作，但是对应像素两两相加时可能会产生进位。为了解决这个问题，须设置保护位，具体方法如下：将上述两个寄存器中的任意一个（如寄存器1）与0xFEFEFEFF相“与”，则寄存器1中像素1、2、3的最低位被清0，即将后一字节的最低位设置为前一字节的保护位。而对于第3字节，因为寄存器本身带有进位状态标志，所以无需另外设置。
如果rounding_control为0，则将寄存器2与0x01010101相加，然后再和0xFEFEFEFF相“与”，设置进位保护位；如果rounding_control为1，则直接将寄存器2和0xFEFEFEFF相“与”。
将以上两步的结果相加，判断进位状态标志。若有进位，则将相加结果的最高位，即寄存器的第31位置1，最后右移1位。所得结果即补偿后的4个像素值。
在同时对4像素进行补偿的过程中，只有当相邻两像素的最高位都为1时，才会有进位产生。使用这种补偿方法其实牺牲了部分精度，但这里只是使所影响的像素值增加了1，所以影响并不大，而且可以使补偿速度大大提升。同时对4像素进行补偿的过程中，寄存器加载需要3个周期，存储需要2个周期，共有两次加载和一次存储操作，中间的加法和移位操作需要6个指令周期，共需14个周期。如果对上面4个像素分别进行补偿，则需5次加载操作和4次存储操作，共23个周期，另外中间计算还需12个周期，所以共需35个周期。可见，牺牲部分精度换取补偿速度是很值得的。
对于垂直方向和水平垂直方向的半像素补偿，其原理与水平方向相同。
3  实验结果与数据分析
通过优化，MPEG4的解码性能有了较大的提升。在ADS1.2环境下分别对各模块进行C算法优化和ARM代码优化，结果如表3所列。按调用一次模块函数所需周期数进行统计。
表3  仿真器上各模块单独统计（使用QCIF格式图像news）
所优化模块名称

C优化(cycles)/个

ARM优化(cycles)/个

优化率/％
DC/AC预测

703

534

24.04
逆扫描/VLD

1 730

1 118

35.38
逆量化/IDCT

6 032

2 562

57.53
运动补偿

17 143

8 471

50.59
这些模块是解码过程中经常会调用的函数，因此，这些函数的优化将使解码速度有明显的提高。
表4比较了不同序列的15帧QCIF格式视频解码优化前后所需的带宽。这些图像具有不同的复杂度，因而结果也不一样。
表4  对不同序列的优化结果（15fps QCIF格式）
视频序列①

优化前所需带宽/MHz

优化后所需带宽/MHz
news

27.24

16.86
foreman

64.83

48.78
miss_am

27.71

15.95
carphone

52.54

34.52
salesman

28.06

16.56
trevor

52.56

34.24
注： ① 为标准视频测试序列。
解码速度基本取决于图像画面的运动情况和颜色是否丰富。从上面的数据可以看出对于不同的序列，其解码速度也不同。news、salesman和miss_am之所以很快，是因为图像背景静止，只有肩部和头部有运动，所以P帧的编码数据量较少，解码速度较高。另外，如果图像很简单（单调），其能量集中到DC系数（直流分量）上，交流系数会出现多个零，因此变长解码速度就会较高,从而节约了解码时间。
从仿真速度分析，通过本文所总结的ARM7TDMI上视频解码的优化方法，可以使MPEG4视频解码节约大量的数据处理时间。由实验结果可见，本视频解码器能较好地满足低分辨率、低帧率场合实时解码的要求。
4  MPEG4视频解码的嵌入式系统实现
实现本解码器的主要硬件平台是Easy ARM2200，如图5所示。它是一款功能强大的32位ARM单片机开发板，采用了Philips公司的ARM7TDMI?S核，以及总线开放的单片机LPC2210，具有JTAG调试功能。

图5  Easy ARM2200开发板
开发板上除了提供键盘、LED和RS232等一些常用功能部件外，还具有4Mb SRAM、16Mb FLASH、IDE硬盘接口、CF存储卡接口、以太网接口和Modem接口等。
本文选择在μClinux操作系统上调试MPEG4解码程序。调试过程分为以下几个步骤：
建立μClinux开发环境；
在μClinux下开发应用程序；
添加应用程序到目标系统并调试。
图6 为一个基于μClinux的嵌入式系统典型框架结构图。

图6  基于μClinux嵌入式系统框图
（1）建立μClinux开发环境
为了实现基于μClinux的应用系统的开发，建立或拥有一个完备的μClinux开发环境是十分必要的。建立μClinux开发环境主要包括以下3个步骤：
建立交叉编译器；
编译μClinux内核；
加载内核。
在完成上述所有工作后，一个嵌入式应用开发平台就已经搭建好了。在这个平台之上，可以根据不同需要开发嵌入式应用。
（2）在μClinux下开发应用程序
基于μClinux系统的应用程序的开发，通常是在标准Linux平台上用交叉编译工具arm?elf?gcc来完成的。ADS和arm?elf?gcc都是ARM公司提供的软件开发工具，它们都支持ARM指令集，但部分伪指令集不同。因此为了将在ADS1.2环境下优化好的源代码移植到arm?elf?gcc环境下，就需要对源代码的伪指令作修改，然后用arm?elf?gcc编译源文件，以生成可在目标板上运行的可执行程序。
（3）添加应用程序到目标系统并调试
要在硬件板上调试，就必须首先把应用软件的可执行程序添加到目标系统中。有多种途径可以达到这一目的。本文使用的是网络方法，通过以太网接口从网络添加用户程序到目标系统中运行。
完成上述工作后，MPEG4解码程序就可以在μClinux系统上运行了，解码结果数据流通过以太网动态传输到PC机上。对几个典型QCIF格式图像解码的帧率如表5所列。
表5  在μClinux操作系统中MPEG4视频解码的帧率
视频序列

解码的实际帧率/帧/s
news

35
foreman

16
miss_am

37
carphone

17
salesman

36
trevor

17
观察发现与前面的软件仿真结果是一致的。对于序列news、miss_am和salesman这些运动动作不太大的图像，解码帧率明显较高；而对于foreman、carphone和trevor这些运动动作较大的图像，解码帧率就较低。
实验结果表明，本系统可以实现低帧率、低分辨率的嵌入式MPEG4视频实时解码。
5  结束语
本文重点研究了基于ARM开发平台对MPEG4实时解码的算法优化及其硬件实现。主要完成了以下几方面工作：针对ARM7TDMI的体系结构，对解码的关键部分进行了算法优化和代码优化，从而极大地提高了解码速度；针对具体的硬件平台——基于ARM7TDMI的Eeay ARM2200开发板，建立了μClinux开发环境，在其上开发应用程序，添加到目标系统中并调试，最后完成了15fps的MPEG4视频解码嵌入式系统的实时实现。
随着人们对视觉媒体的要求越来越高，基于嵌入式系统视频解码技术将具有越来越广阔的前景。

欢迎光临电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/)