MPEG-4視頻解碼器的軟件算法優(yōu)化

1MPEG-4視頻的解碼流程

解碼器是基于FrameLevel的，無論是MC，還是IDCT或者IQ，當(dāng)它們在GPU上實(shí)現(xiàn)時(shí)，每一步的操作都是針對同一幀上的所有宏塊的。VOP是MPEG-4的基本編碼單元，它包含視頻對象邊框的尺寸。圖2是MPEG-4的解碼流程，可以看出MPEG-4視頻解碼主要由三部分組成：形狀解碼、運(yùn)動(dòng)解碼和紋理解碼，重建的VOP是通過合并解碼的形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理信息得到的[3，4]。

2解碼算法優(yōu)化

（1）IDCT變換的優(yōu)化

從復(fù)雜度上分析，DCT變換是很耗時(shí)的，為了減少這部分的計(jì)算量，需要對它進(jìn)行優(yōu)化。在DCT變換前，需要根據(jù)信號(hào)能量的量化因子QP進(jìn)行DCT模式選擇，模式選擇我們設(shè)定了0×0DCT變換、1×1DCT變換、2×2DCT變換、4×4DCT變換、8×8DCT變換五種。首先根據(jù)二維DCT/IDCT計(jì)算公式進(jìn)行行列分離，把二維的DCT變換轉(zhuǎn)化為一維的DCT變換。然后采用一維DCT快速算法進(jìn)一步降低其復(fù)雜度。在幀間模式下，通過當(dāng)前塊的量化因子QP和信號(hào)能量值作DCT模式選擇可以減少計(jì)算量。為了簡化計(jì)算，取絕對差之和SAD來近似信號(hào)能量值。此外，為了減少誤判率和加快計(jì)算速度，在0×0DCT變換和8×8DCT變換兩種模式基礎(chǔ)上加了1×1DCT變換、2×2DCT變換、4×4DCT變換三種模式。

（2）運(yùn)動(dòng)估計(jì)優(yōu)化

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是MPEG-4視頻解碼的核心之一。在編碼過程中，通過塊的匹配得出運(yùn)動(dòng)矢量信息，同時(shí)也會(huì)得出當(dāng)前編碼塊的殘差信息。由于殘差信息帶有的信息量較少，可以通過紋理進(jìn)行編碼。通過逆向推導(dǎo)，解碼時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償通過從碼流中獲取運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而解碼出運(yùn)動(dòng)矢量。然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量從參考幀中得出預(yù)測值。最后將預(yù)測值與解碼的紋理信息相加，即得到實(shí)際的圖像。由于MPEG-4（簡單框架）處理的都是基于塊對象的，因此不涉及形狀編碼，無需填充過程[5]。

MPEG-4視頻解碼器的實(shí)現(xiàn)

1MPEG-4壓縮視頻的碼流結(jié)構(gòu)

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)定義了MPEG-4碼流中的每一位的具體含義，MPEG-4碼流的組織形式是按分層的形式組織起來的。首先是碼流頭，又叫起始碼字，是一個(gè)在碼流中其他地方不會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)比較長的特殊序列，具體的頭信息定義了整個(gè)碼流的一些特征。接下來是幀頭，幀起始碼字和具體的幀頭信息，定義了當(dāng)前幀的一些特征，這些信息決定了該如何解碼當(dāng)前幀。從宏塊頭開始就是具體的數(shù)據(jù)，宏塊頭并沒有一個(gè)宏塊起始碼字，它緊跟在幀頭信息后面。應(yīng)用程序調(diào)用相關(guān)接口函數(shù)，通過封裝靜態(tài)鏈接庫的方法可以實(shí)現(xiàn)解碼器。在視頻序列解碼的不同階段分別調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)，首先調(diào)用getvophdr獲取VOP的頭信息，然后調(diào)用macroblock函數(shù)實(shí)現(xiàn)幀解碼。

2頭信息的解碼

首先看V0、VOL、VOP頭信息的編解碼過程。編碼時(shí)，若編碼第一幀，則首先調(diào)用函數(shù)PutVoVolHeader對V0、VOP的頭信息進(jìn)行編碼，接下來對每一幀編碼時(shí)，即編碼VOP時(shí)，首先調(diào)用函數(shù)BitstreamPutVopHeader對每個(gè)VOP的頭信息進(jìn)行編碼。與此相對應(yīng)，在解碼時(shí)，首先調(diào)用函數(shù)getvophdr，解碼V0、VOL的頭信息，然后在解碼每一幀時(shí)，調(diào)用函數(shù)getvophdr獲取VOP的頭信息。

3VOP解碼

頭信息解碼完成之后，調(diào)用函數(shù)get_mp4picture對每個(gè)VOP進(jìn)行解碼。該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程為[6]：⑴初始化宏塊的循環(huán)控制變量；⑵循環(huán)調(diào)用宏塊解碼函數(shù)macroblock對VOP中的每一個(gè)宏塊進(jìn)行解碼；⑶調(diào)用函數(shù)make_edge對上一步獲得的解碼幀frame_ref(亦作為參考幀)進(jìn)行邊填允；⑷調(diào)用函數(shù)PictureDisplay將frame_ref圖像轉(zhuǎn)換為bmp圖像；⑸將當(dāng)前幀與參考幀交換。

4宏塊的解碼

VOP解碼的整體過程中最關(guān)鍵就是函數(shù)macroblock的實(shí)現(xiàn)。VOP的編碼過程是基于宏塊的，所以VOP解碼過程同樣是基于宏塊的，因此此函數(shù)是解碼的核心函數(shù)，它一方面通過VLD(可變長解碼)、RLD(行程解碼)、IQ(逆量化)、IDCT(逆DCT變換)解碼出原始圖像值(I_VOP)或誤差值(P_VOP)；一方面解碼出運(yùn)動(dòng)矢量MotionVector，并進(jìn)行MC(運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)[7]。

結(jié)束語

為了驗(yàn)證GPU+CPU加速視頻解碼方案和相關(guān)算法優(yōu)化的效果，我們采用XVID作為模擬驗(yàn)證軟件。軟件測試的計(jì)算機(jī)硬件配置為Intel奔騰雙核E5300CPU，2GRAM，GeForce9500GTGPU。軟件實(shí)現(xiàn)的軟件環(huán)境為WindowsXP中文專業(yè)版操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用VisualC++7.0為程序開發(fā)環(huán)境[8]。通過選取標(biāo)準(zhǔn)視頻QICF文件做了視頻編碼后作為測試的視頻序列，測試其優(yōu)化前和優(yōu)化后解碼一幀所需要的時(shí)間，從而對同一幀的解碼時(shí)間進(jìn)行比較。從測試結(jié)果看，視頻解碼速度優(yōu)化前與優(yōu)化后的平均解碼時(shí)間差有15ms。解碼器對于所有的視頻序列解碼速度平均提高了25%，解碼的視頻質(zhì)量能讓人眼所接受，證明GPU輔助CPU加速解碼，對DCT算法、運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的改進(jìn)是行之有效的。（本文作者：李想 單位：蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)管理中心信息工程系）