信息時代對于視頻通訊的需求越來越廣，從較低碼率的可視電話、視頻會議、實時監控到高碼率的空中偵察、數字電視等，迫切要求將高效率、高質量的視頻壓縮算法實用化。MPEG-4于2000年正式成為國際標準并不斷地擴展。它不僅支持碼率低于64kbps的多媒體通信，還能支持廣播級的視頻應用。與以前的視頻標準相比，MPEG-4可以提供更高的壓縮效率、更好的交互性以及更強的抗誤碼能力。目前，MPEG-4已經成為視頻壓縮標準的主流。
　　MPEG-4算法非常復雜，其編解碼的實時性難以保證，通常只能實現對中低分辯率視頻的實時編碼。本文基于TI公司的C64x系列DSPs設計并實現了一種MPEG-4編碼器，實現了對D1分辨率(720×576)視頻的實時編碼，且在保證輸出碼率低于1Mbps的同時，解碼圖像具有較高的峰值信噪比和較好的視覺效果。
1? 編碼系統" title="編碼系統">編碼系統的硬件結構
　　編碼系統以TMS320DM642高性能通用DSP芯片為核心。圖1為系統框圖。

1.1? TMS320DM642芯片的特點
　　DM642屬于TI公司的C64x系列DSPs。Veloci TI結構使C6000 DSPs在視頻和圖像處理中得到廣泛應用。CPU的VLIW結構由多個并行運行的執行單元組成，這些單元在單個周期內可執行多條指令。并行是C6000獲得高性能的關鍵。C64x在C6000的基礎上有一些重要的改進。除了有更高的時鐘頻率外，C64x從以前的Veloci TI結構擴展到Veloci TI.2結構，包含了許多新的指令，增加了額外的數據通道，寄存器的數量也增加了一倍。這些擴展使得CPU可以在一個時鐘周期內處理更多的數據，從而獲得更高的運算性能。
　　DM642芯片集成了各種片內外設，使得開發視頻和圖像領域的應用更為方便。它帶有三個可配置的視頻端口，提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無縫接口。這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入/輸出，包括BT.656、HDTV Y/C、RGB以及MPEG-2碼流的輸入。利用DM642開發視頻編碼器，其視頻輸入部分只需要一塊視頻采集芯片即可，如Phillips的SAA7113，無需外加邏輯控制電路和FIFO緩存，使硬件系統更為簡單和穩定。DM642的其它外設包括：10Mbps/100Mbps的以太網口（EMAC）、多通道音頻串口（McASP）、外部存儲器接口（EMIF）、主機接口（HPI）、多通道緩沖串口（McBSP）以及PCI接口等。
1.2? 系統工作流程
　　該編碼系統可分為圖像壓縮卡和主機兩部分。其工作流程如圖2所示。

　　首先主機通過PCI初始化DSP并對其加載程序；DSP開始運行MPEG-4編碼程序，從視頻端口獲取實時采集的視頻，如圖1所示。SAA7113輸出BT.656格式的數字視頻，作為DM642 VPORT的輸入，VPORT輸出YUV（4:2:0）格式的圖像，作為編碼程序的輸入；DSP完成一幀圖像的編碼，通過PCI向主機發出中斷；主機響應中斷，從DSP的存儲空間讀取原始圖像數據和壓縮后的碼流。主機程序在VC++環境下編寫，提供與用戶交互的界面，可對數據進行各種處理，包括原始視頻的實時播放、保存,壓縮碼流的實時解壓播放、保存、回放、網絡傳輸，從網絡接收壓縮碼流實時解壓回放等。
　　需要注意的是原始圖像和壓縮碼流在DSP中的存儲。視頻端口、編碼程序和主機都要訪問原始圖像，例如在某一時刻，編碼程序訪問當前幀圖像，主機讀取上一幀圖像，而視頻端口正在輸入下一幀圖像，為了避免訪問沖突，原始圖像在DSP中采用三緩沖區進行管理。壓縮碼流由編碼程序寫入，主機讀取，所以采用乒乓制進行存儲。
1.3 內存分配
　　DM642片內只有256KB的存儲空間，因此當前幀、參考幀和當前幀的重建幀都必須放至片外存儲器，壓縮碼流若被主機讀取，也放至片外。其它數據如程序代碼、全局變量、VLC碼表、各編碼模塊產生的中間數據等均可放至片內。
　　由于CPU訪問片外的速度通常要比訪問片內慢幾十倍，片外數據的傳輸通常成為程序運行時的瓶頸，即使代碼效率很高，流水線也會因為等待數據而被嚴重阻塞。解決這一問題的有效方法是用EDMA傳送數據。程序是逐個宏塊" title="宏塊">宏塊進行編碼的，在編碼當前宏塊的同時，EDMA將下一個宏塊的數據、用到的參考幀數據由片外傳送至片內；當前宏塊做完運動補償后，EDMA將重建后的宏塊由片內傳送至片外。這樣CPU只對片內數據進行操作，使得流水線可以順利進行，而壓縮碼流按逐個碼字有時間間隔地寫入，可由CPU直接寫至片外。
2 采用預測技術的運動估計算法
　　運動估計是MPEG-4編碼中計算量最大的一部分，占據整個編碼時間的50%以上。各種快速運動估計算法" title="估計算法">估計算法也成為近年來研究的熱點。本文通過實驗證明，采用預測技術的運動估計不但可以大大縮短計算時間，而且也有助于提高圖像的質量。
　　宏塊（Macro Block）的運動矢量（Motion Vector）在時間和空間都具有相關性，預測的原理就是利用當前幀和參考幀內相鄰位置宏塊的MV來預測當前宏塊的MV。下面詳述本文所采用的預測算法。
　?。?）確定當前宏塊MV的7個候選值PreMV1~7。
　　如圖3所示。PreMV1=(0,0)；PreMV4取當前宏塊左邊相鄰宏塊的MV值；PreMV5取上邊相鄰宏塊的MV值；PreMV6取右上方相鄰宏塊的MV值；PreMV2=mid{PreMV4, PreMV5, PreMV6}，即取三者的中值；PreMV3取參考幀相同位置宏塊的MV值；PreMV7取參考幀右下方相鄰宏塊的MV值。

　?。?）確定篩選候選值的依據——SAD（絕對誤差和）的門限值ThreshSAD。
　　SAD是確定最佳匹配塊的準則。門限值ThreshSAD是指這樣一個值：如果參考幀內某一宏塊和當前宏塊的SAD小于ThreshSAD，則當前宏塊的MV值就可取作二者之間的位移。因此，ThreshSAD就可作為篩選7個候選值的依據。
　　由于SAD在空間上的相關性，ThreshSAD由相鄰宏塊的SAD值來確定：
　　ThreshSAD=Min{SAD_left,SAD_top,SAD_{top_left}}
　　其中，SAD_left、SAD_top、SAD_top-right分別為MB_left、MB_top、MB_top-right和其對應匹配塊的SAD值，ThreshSAD取三者的最小值。
　　(3)從7個候選值中選出當前宏塊的MV值。
　　按照PreMV1~7的順序，依次計算當前宏塊和7個匹配塊的SAD值。如果有SAD值小于ThreshSAD，即停止計算，選用對應的PreMV作為當前宏塊的MV值；如果7個SAD值均大于ThreshSAD，則采用運動搜索來確定當前宏塊的MV值。該運動搜索并不以MV=(0,0)為中心，而是以對應SAD值最小的PreMV為中心，搜索采用簡化的菱形算法。
　　對標準視頻序列" title="視頻序列">視頻序列foreman.cif(352×288)進行編碼(碼率300kbps)，測得表1所示數據。采用預測的運動估計算法利用視頻序列在時間和空間上的相關性，無需對每個宏塊都進行運動搜索，而且其搜索中心點也同樣利用了相關信息，搜索算法也可進一步簡化，因此大大減少了運動估計的計算量；同時，預測有助于提高圖像質量，直接進行快速運動搜索通常會帶來局部最小的問題，從而影響圖像質量，而PreMV1~7取自位于當前宏塊周圍各個方向的宏塊的MV值，避免陷入局部最小。

3 基于C64x CPU的軟件優化技術
　　為了提高代碼的執行效率，必須充分利用C64x CPU的VLIW和流水線結構對其進行優化，使程序無沖突地并行執行。MPEG-4編碼程序中包含大量的循環體，例如計算SAD值、量化、DCT、半像素插值、運動補償和構建重建幀等。這些循環體代碼并不復雜，但執行次數頻繁，占據了編碼的絕大部分時間，因此循環體的優化是重點。本文所采取的代碼優化分為C語言優化和編寫線性匯編兩個步驟，主要從消除數據相關性、數據打包和循環體的軟件流水三個方面進行優化。
3.1 針對C語言的優化
　　C代碼的優化主要依靠開發環境CCS的編譯器完成，編程者需要合理選擇編譯選項，并利用特定的關鍵字和指令向編譯器提供優化信息。例如關鍵字restrict用來消除數據間的相關性，編譯器從而可以安排語句的并行執行；內聯函數_nassert有助于數據的打包處理；宏指令#pragma MUST_ITERATE告訴編譯器有關循環迭代次數的信息，編譯器會根據這一信息進行軟件流水。
3.2? 用線性匯編改寫關鍵代碼
　　線性匯編是TMS320C6000特有的一種編程語言，介于高級語言和匯編語言之間。它可以指定指令用到的寄存器和功能單元，更易于對數據的打包處理。
　　線性匯編代碼的并行處理和軟件流水由匯編優化器完成，編程者需要熟悉C64x DSP的CPU結構和指令集，認真設計代碼并充分利用編譯器的反饋信息合理修改代碼，才能寫出高質量的線性匯編。本設計中程序主框架采用C語言編寫，其它各關鍵部分的代碼采用線性匯編實現。表2是代碼優化前后的效率對比，表2中所列各代碼段均針對8×8宏塊進行處理。

4 結果分析
　　對各標準視頻序列進行編碼，測得表3所示數據。實時采集D1(720×576)分辨率的視頻進行編碼，測得碼率為850kbps時，編碼速率達25fps以上，峰值信噪比(PSNR)高于31dB，實現了高分辨率的實時MPEG-4編碼。