ＡＶＳ數字視頻解碼中反量化／反變換的ＦＰＧＡ實現
2008-01-01 00:00:00劉艷陳永恩
現代商貿工業 2008年3期
摘 要：介紹了一種基于FPGA的AVS標準視頻部分反量化/反變換算法的實現。采用高效的全硬件實現方法，提出了各模塊的硬件電路結構設計，實驗及仿真結果驗證了該設計的有效性。
關鍵詞：AVS；反量化；反變換；FPGA
中圖分類號：TP37文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）03-0293-01
1 引言
近年來世界上產生了許多數字視頻壓縮標準，AVS是我國第一個具有自主知識產權的數字音視頻解碼標準，為數字音視頻設備與系統提供高效經濟的編解碼技術。AVS采用8×8的整數離散余弦變換和反變換，具有復雜度低、完全匹配等優點。
2 反量化和反變換算法描述
2.1 反量化
在量化方面，AVS采用總共64級近似8階非完全周期性的量化，可以完全適應不同的應用和業務對碼率和質量的要求。反量化是將二維量化系數矩陣QuantCoeffMatrix轉換為二維變換系數矩陣CoeffMatrix的過程。首先確定量化參數QP，QP取值范圍為0~63，QP值越大，精度越低。
二維變換系數矩陣CoeffMatrix的元素Wij由式（1）得到
2.2 反變換
AVS定義的反變換是將8×8變換系數矩陣CoeffMatrix轉換為8×8殘差樣值矩陣ResidueMatrix的過程，需要經過一次水平變換和垂直變換，具體步驟如下：
第一步，對變換系數矩陣（CoeffMatrix，Mc）進行如式（2）水平反變換
H′= Mc×TT(2)
其中，T是8×8反變換矩陣，如圖1所示，TT是T的轉置矩陣，H′是水平反變換后的中間結果。
T=8101098642
894-2-8-10-10-6
86-4-10-82109
82-10-689-4-10
8-2-1068-9-410
8-6-4108-210-9
8-942-810-106
8-1010-98-64-2
圖1 AVS的反變換矩陣T
第二步，對矩陣H′中的每個系數加4再右移3位，得到矩陣H″。
第三步，對矩陣H″進行如式（3）垂直反變換
H=T×H″ (3)
其中，H表示垂直反變換后的8×8矩陣。
第四步，對H的每個系數加26再右移7位，得到殘差樣值矩陣（ResidueMatrix，MR）。
3 硬件結構設計
本文的硬件結構設計如圖2所示，從可變長解碼 FIFO中讀出num經過GET模塊得到成對的游程run和幅度 level存于2個RAM中，反量化器根據模式控制器對幅度level值進行反量化，得到變換系數，并由存儲控制器完成串并轉換，一維反變換單元進行一維行反變換后，其結果經過轉置操作后并行輸出，進行一維列反變換后，輸出殘差系數。3.1 GET模塊
負責采集可變長解碼FIFO輸入的num值存入寄存器，由addrA=base+num-1（base為已知的基地址）算出addrA的值，每給出一個addrA值都可從FIFO中得到level和run值，根據幅度run 將level寫入相應的RAM1地址內。地址指針上移一格后，以同樣的過程將數據寫入RAM1，共寫num次，最后將RAM1 的其他單元內置零。RAM1 完成一個塊后以同樣的方式給RAM2 寫入。
這里，選用兩個RAM用于存放數據的好處是，在完成一個塊進行反量化和反變換的同時，下一個塊可以采集level和run的值，節約了流水線處理時間。時序安排如圖3所示。
3.2 一維反變換單元
AVS反變換采用的像素塊為8×8大小，順序地對每個系數進行反變換顯然難以滿足碼流速度。另外，AVS的變換系數是基于整數運算的，所以根據W.K. Cham提出的整數余弦變換（ICT）可以降低硬件實現的復雜度，即通過移位運算和加法運算代替乘法運算。根據上述兩點要求，本設計采用一維的逆整數余弦變換的反變換設計，即先對像素塊的每一行的8個變換系數做反變換，然后對像素塊的每一列作反變換。
設計時，采用通用的一維反變換單元，既能做行變換，也能做列變換，以節約硬件開銷。
4 仿真結果及分析
用Verilog語言RTL級描述實現了上述的結構設計，并用ModelSim6.0進行仿真，仿真波形如圖所示。與AVS視頻源代碼提取出的結果進行比對，仿真結果表明采用上述結構完全可以得到完全正確的反量化和反變換結果。
本設計經過仿真，IQ/IDCT完成一個宏塊的操作需要370個時鐘。按照4:2:0的圖像格式，所設計的結構可以達到的頻率為160MHz，占用的LUT數為5764個，較節省硬件資源。本設計充分考慮了處理速度和硬件代價，并較好改善了上述因素對解碼的影響。
參考文獻
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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
