廖 諍，黃海云，賈 楊

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190）

在C6000系列DSP芯片中實(shí)現(xiàn)H.264算法進(jìn)行視頻壓縮編碼，已廣泛應(yīng)用于多媒體、數(shù)字電視、圖像處理、視頻監(jiān)控、可視電話、視頻桌面系統(tǒng)等視頻信號(hào)處理領(lǐng)域，應(yīng)用單指令多數(shù)據(jù)流（Single Instruction Multiple Data，SIMD）技術(shù)對(duì)H.264算法進(jìn)行代碼級(jí)優(yōu)化，可在無PSNR（峰值信噪比）損失的情況下，有效提高程序運(yùn)行速度，滿足視頻領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)信號(hào)處理的要求。

1 優(yōu)化方法概述

DSP端代碼的優(yōu)化主要分為三個(gè)層次：項(xiàng)目級(jí)優(yōu)化、算法級(jí)優(yōu)化和代碼級(jí)優(yōu)化[1]。代碼級(jí)優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)是，加入優(yōu)化函數(shù)模塊前后，程序運(yùn)行結(jié)果不變，沒有PSNR(峰值信噪比)損失，且程序運(yùn)行速度得到提高。

在進(jìn)行代碼優(yōu)化的過程中，主要采用了SIMD技術(shù)。類似于Intel公司的MMX/SSE/SSE2指令集所采用的奔騰單指令多數(shù)據(jù)（Single Instruction Multiple Data，SIMD）技術(shù)，C6000 DSP中也提供了自己的單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）指令集，雖然沒有MMX指令集中的指令及寄存器資源豐富，但其仍可以通過對(duì)成組數(shù)據(jù)并行操作最大限度地提高運(yùn)行速度。

進(jìn)行代碼級(jí)優(yōu)化的目標(biāo)主要是程序中耗時(shí)比較大和調(diào)用比較頻繁的運(yùn)算模塊。對(duì)代碼進(jìn)行分析及查閱文獻(xiàn)的結(jié)果顯示，DCT、IDCT、量化、SAD、去方塊濾波、運(yùn)動(dòng)估計(jì)（1/2，1/4像素插值）和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算量占程序總運(yùn)算量的比重很大[2-7]，因此這部分函數(shù)是程序優(yōu)化的重點(diǎn)。下面分別對(duì)這幾個(gè)函數(shù)模塊的優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行介紹。

2 主要優(yōu)化模塊

2.1 DCT函數(shù)的優(yōu)化

對(duì)函數(shù)add4x4_idct，主要利用C64X提供的帶飽和的打包指令_spacku4進(jìn)行算法改進(jìn)。對(duì)函數(shù)dct4x4dc，優(yōu)化時(shí)打開函數(shù)中循環(huán)，并采用SIMD技術(shù)，一次對(duì)2個(gè)16 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2.2 量化、反量化函數(shù)的優(yōu)化

對(duì)待優(yōu)化函數(shù)quant_4x4進(jìn)行分析，看出量化系數(shù)的范圍在16 bit之內(nèi)，沒有必要采用int型的量化系數(shù)矩陣，因此將量化系數(shù)矩陣的數(shù)據(jù)格式改為short型。由于函數(shù)中存在判斷語句，考慮通過將判斷條件作為標(biāo)志量flag，使其參加運(yùn)算，而不進(jìn)行條件判斷，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該方法并沒有提高程序的運(yùn)行速度。又考慮到判斷語句和運(yùn)算同時(shí)存在于循環(huán)中，優(yōu)化編譯器無法對(duì)循環(huán)中的運(yùn)算進(jìn)行流水，影響了運(yùn)算整體的運(yùn)行速度，因此，將循環(huán)中的判斷語句與運(yùn)算分別放入兩個(gè)不同的循環(huán)中進(jìn)行，這樣編譯器會(huì)對(duì)含有運(yùn)算的循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高程序速度。

對(duì)函數(shù)dequant_4x4，優(yōu)化時(shí)首先分析待優(yōu)化函數(shù)的數(shù)據(jù)范圍，將反量化矩陣的數(shù)據(jù)類型由（int）型改為（short）型，同時(shí)在兩個(gè)16 bit數(shù)據(jù)相乘時(shí)，根據(jù)其數(shù)據(jù)范圍判斷其乘積不會(huì)超過16 bit[8]，因此進(jìn)行了直接截取，采用SIMD技術(shù)，一次對(duì)2個(gè)16 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的方法，減少循環(huán)次數(shù)。

2.3 去方塊濾波函數(shù)的優(yōu)化

對(duì)deblock_v_luma_c函數(shù)，優(yōu)化時(shí)考慮到函數(shù)中存在較多的判斷語句，比較耗時(shí)，因此主要采用了將函數(shù)中判斷語句簡(jiǎn)化為標(biāo)志量的方法進(jìn)行優(yōu)化。在采用簡(jiǎn)化函數(shù)中判斷語句的方法進(jìn)行優(yōu)化前，曾考慮采用SIMD方法進(jìn)行優(yōu)化，但存在2個(gè)比較主要的問題：一是DSP中SIMD指令相對(duì)MMX指令要少，很多相應(yīng)操作沒有找到合適的SIMD指令；二是在進(jìn)行horizon方向的濾波時(shí)，如果要進(jìn)行SIMD的優(yōu)化，首先要對(duì)輸入數(shù)據(jù)做比較復(fù)雜的打包處理，影響優(yōu)化效果。由于上述2個(gè)原因，對(duì)去方塊濾波函數(shù)沒有采用SIMD方法進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)deblock_h_luma_c,deblock_v_luma_intra_c及deblock_h_luma_intra_c函數(shù)，優(yōu)化時(shí)均采用了與函數(shù)deblock_v_luma_c類似的優(yōu)化方法。

2.4 插值函數(shù)的優(yōu)化

對(duì)mc_hh函數(shù)，優(yōu)化函數(shù)主要通過調(diào)用x264_tapfilter1_opt4in1函數(shù)，代替了原函數(shù)中調(diào)用的x264_tapfilter1及 x264_mc_clip1。x264_tapfilter1_opt4in1函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了編排，由于x264_tapfilter1實(shí)際為6抽頭濾波器，因此在x264_tapfilter1_opt4in1函數(shù)中6次調(diào)用_mem4函數(shù)，每次取出X方向上連續(xù)的4個(gè)unsigned char數(shù)據(jù)，采用SIMD的內(nèi)聯(lián)函數(shù)指令，這樣進(jìn)行一次6抽頭的濾波操作，可同時(shí)完成對(duì)4組數(shù)據(jù)的6抽頭濾波，其數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在x264_tapfilter1_opt4in1函數(shù)中，還根據(jù)數(shù)據(jù)的范圍將 unsigned char通過_mpyu4(src[j]，0x01010101)指令進(jìn)行無符號(hào)的擴(kuò)展，成為16 bit數(shù)據(jù)，以進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算；通過_spacku4指令進(jìn)行數(shù)據(jù)鉗位操作[9]。

對(duì)函數(shù)mc_hv，優(yōu)化函數(shù)主要通過調(diào)用x264_tapfilter_opt4in1函數(shù)，代替了原函數(shù)中調(diào)用的x264_tapfilter及x264_mc_clip1。x264_tapfilter_opt4in1函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了編排，由于x264_tapfilter實(shí)際為6抽頭濾波器，因此在x264_tapfilter_opt4in1函數(shù)中6次調(diào)用_mem4函數(shù)，每次取出X方向上連續(xù)的4個(gè)unsigned char數(shù)據(jù)，采用SIMD的內(nèi)聯(lián)函數(shù)指令，這樣進(jìn)行一次6抽頭的濾波操作，可同時(shí)完成對(duì)4組數(shù)據(jù)的6抽頭濾波，其數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)于函數(shù)mc_hc，優(yōu)化時(shí)首先分析待優(yōu)化函數(shù)的處理過程，如圖3所示，在一次計(jì)算中首先對(duì)X方向6行像素點(diǎn)分別進(jìn)行6抽頭濾波，然后對(duì)濾波結(jié)果tap[0]～tap[5]進(jìn)行6抽頭垂直濾波，故對(duì)6×6的像素點(diǎn)進(jìn)行處理，可產(chǎn)生一個(gè)*out結(jié)果數(shù)據(jù)。在下一次的垂直濾波中，僅需再進(jìn)行一次水平6抽頭濾波，就可與已經(jīng)計(jì)算出的tap[1]～tap[5]進(jìn)行垂直濾波，產(chǎn)生新的結(jié)果數(shù)據(jù)*(out+i_dst_stride)。

前面已經(jīng)在對(duì)函數(shù)mc_hh的優(yōu)化中，完成了一次進(jìn)行4組6抽頭水平濾波的優(yōu)化，在對(duì)函數(shù)mc_hv的優(yōu)化中，完成了一次進(jìn)行4組6抽頭垂直濾波的優(yōu)化，因此mc_hc的優(yōu)化過程如圖4所示。

優(yōu)化后函數(shù)每次對(duì)9×9個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，先調(diào)用x264_tapfilter1_opt4in1函數(shù)對(duì)水平方向上的9個(gè)數(shù)據(jù)[3]，進(jìn)行水平方向的6抽頭濾波，產(chǎn)生了4個(gè)tap數(shù)據(jù)，然后利用部分tap數(shù)據(jù)的重復(fù)性，進(jìn)行了4次垂直方向的6抽頭濾波，每次濾波產(chǎn)生4個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)，因此一次處理可產(chǎn)生16個(gè)unsigned char結(jié)果數(shù)據(jù)。

然而，由于在未優(yōu)化函數(shù)中，水平濾波時(shí)的結(jié)果沒有進(jìn)行求均值（右移）操作，而將中間結(jié)果數(shù)據(jù)保存為int型，然后在對(duì)int型數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直濾波后才統(tǒng)一進(jìn)行了求均值（〉〉10）的操作，最后將垂直濾波后的結(jié)果保留為（unsigned char）型。但依照上面所述的優(yōu)化過程，在進(jìn)行水平濾波時(shí)，就已經(jīng)進(jìn)行了平均，保存的中間結(jié)果即為（unsigned char）型，垂直濾波也是對(duì)（unsigned char）型進(jìn)行的，因此優(yōu)化后的結(jié)果與未優(yōu)化函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果有一定的差距，但該差距是有計(jì)算精度帶來的，并不是錯(cuò)誤。

為滿足與原版本程序結(jié)果一致性的需求，還對(duì)原函數(shù)采用其它方法進(jìn)行了優(yōu)化，但僅利用了水平濾波結(jié)果tap的重復(fù)性，因此優(yōu)化效果不太理想。

2.5 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)的優(yōu)化

對(duì)于函數(shù)mc_luma，分析待優(yōu)化函數(shù)，由于其存在條件判斷分支，但其中一個(gè)分支的運(yùn)算比較復(fù)雜，一個(gè)僅是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)copy，并不適合采用類似去方塊中采用的標(biāo)志位方法，去掉條件判斷，因此僅對(duì)第一個(gè)分支中的pixel_avg函數(shù)采用SIMD方法進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后該函數(shù)一次可對(duì)4個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行平均。

對(duì)于函數(shù)get_ref，優(yōu)化時(shí)采用了與函數(shù)mc_luma類似的優(yōu)化方法。

2.6 模塊優(yōu)化結(jié)果匯總

模塊優(yōu)化結(jié)果匯總在表1中。

表1 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

3 優(yōu)化結(jié)果總結(jié)及前景展望

綜上所述，在對(duì)DCT、IDCT進(jìn)行優(yōu)化的過程中主要采用了SIMD技術(shù)；在對(duì)量化、反量化進(jìn)行優(yōu)化的過程中，主要將量化及反量化系數(shù)矩陣的數(shù)據(jù)類型由int型改為了short型，并將判斷語句與計(jì)算語句分別進(jìn)行循環(huán)；在對(duì)去方塊濾波函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，主要通過將標(biāo)志位加入運(yùn)算式的方法，去除了循環(huán)中的判斷語句；在對(duì)插值函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，主要利用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重復(fù)性，并采用了SIMD技術(shù)；在對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，也主要采用了SIMD技術(shù)。

將上述優(yōu)化后的函數(shù)模塊替換原函數(shù)，其運(yùn)行結(jié)果不變，運(yùn)行時(shí)間如表2所示。

表2 加入優(yōu)化函數(shù)模塊前后單幀運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

在今后的工作中還可對(duì)采用SIMD技術(shù)進(jìn)行代碼級(jí)優(yōu)化進(jìn)行進(jìn)一步研究，對(duì)圖像壓縮編碼程序中效率較低或之前優(yōu)化效果不理想的模塊進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，也可將該方法應(yīng)用于除H.264算法以外的DSP程序中，提高嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行效率，滿足用戶日益增長(zhǎng)的對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的需求。

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