并行處理的H.264到AVS轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　轉(zhuǎn)碼應(yīng)用涉及視頻服務(wù)器、通用多媒體訪問設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)頂盒、DVD等多媒體設(shè)備和系統(tǒng)。其基本原則是在環(huán)境和處理能力受限的情況下，在碼流轉(zhuǎn)換的質(zhì)量和復(fù)雜性之間取得最佳折衷。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是對壓縮視頻碼流中的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用，避免重新編碼中的復(fù)雜運(yùn)算。研究中的轉(zhuǎn)碼技術(shù)主要包括：碼率轉(zhuǎn)換、分辨率轉(zhuǎn)換、幀率轉(zhuǎn)換、語法轉(zhuǎn)換等。

　　MediaCoder是目前比較優(yōu)秀的一款轉(zhuǎn)碼軟件，它將眾多來自開源社區(qū)優(yōu)秀的音視頻軟件整合于一個(gè)友好的圖形界面。它可以直接、批量地在眾多音頻視頻壓縮格式和容器格式之間轉(zhuǎn)換，支持的格式包括H.264，Xvid，MPEG-1／2／4等，但是沒有將AVS視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)融合進(jìn)來。本文介紹的軟件解碼器實(shí)現(xiàn)了H.264到AVS兩個(gè)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)碼。針對這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件轉(zhuǎn)碼器還在研發(fā)之中，上海龍晶微電子有限公司基于AVS標(biāo)準(zhǔn)提出了國內(nèi)第一款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高清電視解碼芯片DS10000。雙核技術(shù)的廣泛應(yīng)用可用并行處理辦法加快速度。視頻轉(zhuǎn)碼可分為同類視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)和不同類視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)。

　　2 像素域和變換域轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)

　　圖1是空域轉(zhuǎn)碼器結(jié)構(gòu)框圖，將H.264碼流進(jìn)行熵解碼和反量化，然后逆DCT變換，得到像素域的像素值；根據(jù)解碼的運(yùn)動(dòng)矢量和頻域殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)(Motion Estimation，ME)，根據(jù)得到的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(Motion Compensation，MC)；再將得到的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和量化、熵編碼形成AVS碼流。

　　圖2是變換域轉(zhuǎn)碼器結(jié)構(gòu)框圖，轉(zhuǎn)碼中不需要解得像素域的像素值，H.264碼流經(jīng)過熵解碼和反量化，在頻域中進(jìn)行補(bǔ)償，得到頻域中重構(gòu)的HT系數(shù)值，然后由H.264中的4×4HT系數(shù)變換成AVS中的8×8HT系數(shù)，根據(jù)H.264中解碼得到的運(yùn)動(dòng)矢量和HT系數(shù)值來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)ME，由得到的8×8HT系數(shù)值在頻域進(jìn)行誤差補(bǔ)償；進(jìn)行量化和熵編碼形成AVS碼流。

　　3 多線程轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中，給出一個(gè)執(zhí)行點(diǎn)稱為線程。線程是系統(tǒng)需要分配CPU時(shí)間的基本執(zhí)行單元。單個(gè)進(jìn)程在任何時(shí)刻可包含多個(gè)線程，它們可同時(shí)執(zhí)行進(jìn)程地址空間內(nèi)的代碼。

　　1) 子線程的創(chuàng)建與終止

　　VC++應(yīng)用程序的主線程在創(chuàng)建應(yīng)用程序時(shí)生成，創(chuàng)建子線程可通過調(diào)用CreateThread函數(shù)創(chuàng)建，其格式：

HANDLE = CreateThread (LPSECURITY ATTRIBUTES Ipsa，DWORD cbstack，LPTHREAD START ROUTINE lpStartAd2dr，LPVOIDlpvThreadParm，DWORD fdwCreate，LPDWORD lpIDThread)；

　　在本轉(zhuǎn)碼器中，子線程創(chuàng)建方法如下：

slot=0； hThrds[slot]=CreateThread(NULL，0，ThreadFunc，(LPVOID)slot，0，&threadID)．

　　2) 轉(zhuǎn)碼器的多線程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

　　由圖1和圖2可以看出，轉(zhuǎn)碼器的解碼和編碼部分是相對獨(dú)立的。雖然在編碼端要用到解碼得到的運(yùn)動(dòng)矢量、分塊模式還有頻域中的系數(shù)等信息，如果是單線程程序的話，在編碼到這一幀時(shí)，解碼程序就要停止，只有當(dāng)編碼這一幀的程序執(zhí)行完后，才能開始執(zhí)行下一幀的解碼程序。所以，在解碼時(shí)編碼程序停止，在編碼時(shí)解碼程序停止，這將花費(fèi)大量的時(shí)間來等待。

　　如果是在雙核或者多核計(jì)算機(jī)上，可采用并行處理的方法，可啟動(dòng)兩個(gè)或多個(gè)線程，一個(gè)解碼線程和一個(gè)編碼線程，在編碼第n幀時(shí)，同時(shí)解碼第n+1幀，達(dá)到解碼和編碼同時(shí)執(zhí)行的效果?？紤]到對系統(tǒng)內(nèi)存的要求，這里設(shè)置緩存區(qū)的大小為2，多線程轉(zhuǎn)碼器實(shí)現(xiàn)框架如圖3所示。

　　多線程轉(zhuǎn)碼器執(zhí)行順序如下：當(dāng)解碼第n幀完成，判斷第n-1幀是否已經(jīng)編碼完成，如果沒有完成，則等待編碼第n-1幀直到它完成，如果第n-1幀已完成，則開始解碼第n+1幀，并同時(shí)開始編碼第n幀；當(dāng)?shù)趎+1幀解碼完成時(shí)，再判斷第n幀編碼是否完成，若沒完成，則等待它完成，若完成，則開始編碼第n+1幀，然后令n=n+2，進(jìn)行循環(huán)。所以，實(shí)現(xiàn)了編碼和解碼并行處理，解碼當(dāng)前幀和編碼前一幀是同時(shí)進(jìn)行的。

　　3) 多線程轉(zhuǎn)碼器的具體實(shí)現(xiàn)方法

　　緩存區(qū)大小設(shè)置為2，奇數(shù)幀共用一組變量，偶數(shù)幀共用一組變量。H.264中解碼的當(dāng)前幀序號(hào)用img->number表示，AVS編碼端編碼的當(dāng)前幀序號(hào)用img_avs->number表示。在解碼第n+2幀時(shí)，decode_slice()解碼一幀的函數(shù)前面加上判斷是否編碼完第n幀：

if (img->number=(img_aVs->number+2))WaitForSingleObject(hThrds[0]，INFINITE)；

　　解碼第n+2幀完成時(shí)，等待編碼線程結(jié)束，Wait-ForSingleObjeet(hThrds[0]，INFINITE)，然后開始一個(gè)新的進(jìn)程：

slot=0；hThrds[0]=CreateThread(NULL，0，ThreadFunc，(LPVOID)slot，0，&threadID)

　　在整個(gè)程序執(zhí)行完之前，等待線程執(zhí)行完以后，再結(jié)束整個(gè)轉(zhuǎn)碼程序。

　　4 仿真結(jié)果

　　測試序列：foreman，格式為CIF(352×288)，編碼成IPPPPIPPP…，264量化系數(shù)為28，AVS端編碼的量化系數(shù)為36，編碼幀數(shù)為100幀。

　　計(jì)算機(jī)配置：Intel奔騰1.6 GHz，內(nèi)存1 Gbyte，Win-dows XP sp2操作系統(tǒng)。

　　對于串行單線程的方式，平均轉(zhuǎn)碼一幀的時(shí)間為113.57 ms；并行多線程的方式，平均轉(zhuǎn)碼一幀的時(shí)間為80.19 ms。所以使用多線程編碼的方式，由于編碼和解碼同時(shí)執(zhí)行，時(shí)間可節(jié)約41.63%，轉(zhuǎn)碼速度是單線程編碼方式的1.42倍。這是因?yàn)檫M(jìn)程調(diào)度也要花費(fèi)一定時(shí)間，所以雙線程編碼的速度沒有達(dá)到單線程編碼的2倍。本文中，考慮到對存儲(chǔ)的要求，緩存區(qū)僅設(shè)置為2，使用的是一種乒乓式的訪問策略，解碼端和編碼端在每一時(shí)刻都分別只訪問一組存儲(chǔ)空間，不會(huì)同時(shí)訪問一組存儲(chǔ)空間。如果把緩存區(qū)設(shè)置得更大一點(diǎn)，速度將還會(huì)有大幅度的提高。