论文部分内容阅读
摘 要:本文针对H.264视频解码器中,运算复杂度最高、访问存储时间最长、计算量最多的帧间预测运动补偿结构进行研究和VLSI设计。在深入研究H.264视频编码标准基础上,提出了易于硬件实现的H.264 baseline高清解码器运动补偿结构的设计方案。
关键词:H.264;高清;硬件解码
中图分类号:TN919.81;TN764 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0042-01
一、引言
数字视频通信因满足人们直观真实的交流而越来越受欢迎。2003年3月,ITU-T/ISO正式公布了H.264视频编码压缩标准,它在发布之初就因其比以往的标准更出色的性能和压缩比,在IPTV、3G移动通信等领域均有广泛应用,并成为数字视频压缩技术领域的热点话题,被人们称之为新一代的数字视频编码标准。H.264/AVC的突出特点主要包括可变块大小的运动补偿预测、多参考帧预测、整数变换、1/4 像素精度的运动补偿预测、上下文自适应的熵编码以及环内去块效应滤波。与以往的任何编码标准相比,虽然采用和以往的视频编码标准同样的混合编码框架,但改进和新增了一些新的编码技术,并使得压缩效率获得显著的提升。然而,由于这些原有技术的改进和新技术的引入,H.264尽管压缩效率大幅提升,但带来了更高的算法复杂度,使得传统的软件解码有些力不从心,且不能满足移动手持设备对于低功耗的要求,限制其商业应用。因此,对于H.264标准的硬件解码研究显着至关重要。本文将围绕H.264标准硬件解码的相关领域进行研究,重点研究H.264 baseline档次解码器中的运动矢量解码模块。
二、H.264解码器原理
H.264解码器的解码流程如图1所示,视频解码器从码流中接收被压缩的已编码比特流,解码每一个句法元素,抽取上下文描述信息,例如宏块类型、宏块ID等,经过对码流进行熵解码和重排序等到一系列的量化系数,这些系数经过反量化和反变换得到残差数据,解码器使用从码流中解码得到的头信息创建一个预测块,预测块与残差求和得到为滤波的图像数据,再通过去方块滤波等到重建图像的解码块。
三、运动矢量预测
编码宏块分割的运动矢量将会花费相当大的比特数,尤其在选用小分割尺寸的情况下每一宏块分割的运动矢量,可以从邻近块的运动矢量预测得到。由上文已计算的运动矢量形成的预测运动矢量MVp的方式,以及由当前运动矢量和预测运动矢量形成的运动矢量残差MVD,被编码和传输。形成预测运动矢量MVp的方法依赖于运动补偿分割尺寸以及周围运动矢量的可用性。
MV解码流程如图2所示:
根据H.264协议的标准,对运动矢量预测有如下规定:
当前块E的周围A、B、C、D四个宏块(或子宏块)的位置如图所示,他们的原始运动矢量为mvLXN,参考索引refIdLXN,N代替A、B、C、D。其中D块只有在C块不存在的时候用到。
在实际的操作解码中,由于树状结构运动补偿的最小单位为4×4大小的块,即一个4×4块中的像素一定具有相同的运动矢量,所以在这里暂且不论相邻块A、B、C、D的大小为多大,为了存储和计算过程的统一性,只需要求出包含相对位置为(xN,yN)的像素点的4×4块的位置即可。如图3所示
四、研究方案
研究方案主要是针对H.264的解码器的结构特点来设计一种高效的支持高清视频解码的运动补偿解码电路结构,并将其实现。通过对H.264标准编解码器和码流句法元素编码方式、运动矢量预测、插值算法、存储的控制管理等特点,对参考模型的算法进行优化,对电路结构进行改进。通过参考基于H.264标准的运动矢量预测电路文献,确定其硬件架构,采用Verilog HDL进行建模和仿真,并采用DC进行逻辑综合和门级仿真并优化,减小设计的面积并提高设计编码的速度,结构框图如图4所示。
本设计的结构框图如图所示,在本设计中将运动矢量预测分为输出控制,预测运算和后处理三个部分,框图中Mv_ctrl是输出控制模块,实现对运动矢量预测总体的状态控制;预测运算包括与片上的SRAM进行通信和控制的Mem_ctrl,MV数据存储和刷新的Mem_data模块以及计算MV地址的Mv_sp模块;后处理则是对预测得到的MVP进行必要的加权处理和与码流中的MVD进行相加从而最后得到最终的MV。
五、总结
H.264解码器的运动补偿部分运算量占整个解码器电路的三分之一以上,设计复杂度大约占整个解码器电路设计复杂度的40%左右,所以进行高效的VLSI电路设计非常必要。目前,对运动补偿模块的超大规模集成电路设计主要设计思路一般是三级到四级流水线结构。H.264高清产品的推出无疑又会将我国的数字视频终端技术推上一个新台阶。
参考文献
[1]毕厚杰,王建,新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC(第二版)[M].人民邮电出版社,2009,11
关键词:H.264;高清;硬件解码
中图分类号:TN919.81;TN764 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0042-01
一、引言
数字视频通信因满足人们直观真实的交流而越来越受欢迎。2003年3月,ITU-T/ISO正式公布了H.264视频编码压缩标准,它在发布之初就因其比以往的标准更出色的性能和压缩比,在IPTV、3G移动通信等领域均有广泛应用,并成为数字视频压缩技术领域的热点话题,被人们称之为新一代的数字视频编码标准。H.264/AVC的突出特点主要包括可变块大小的运动补偿预测、多参考帧预测、整数变换、1/4 像素精度的运动补偿预测、上下文自适应的熵编码以及环内去块效应滤波。与以往的任何编码标准相比,虽然采用和以往的视频编码标准同样的混合编码框架,但改进和新增了一些新的编码技术,并使得压缩效率获得显著的提升。然而,由于这些原有技术的改进和新技术的引入,H.264尽管压缩效率大幅提升,但带来了更高的算法复杂度,使得传统的软件解码有些力不从心,且不能满足移动手持设备对于低功耗的要求,限制其商业应用。因此,对于H.264标准的硬件解码研究显着至关重要。本文将围绕H.264标准硬件解码的相关领域进行研究,重点研究H.264 baseline档次解码器中的运动矢量解码模块。
二、H.264解码器原理
H.264解码器的解码流程如图1所示,视频解码器从码流中接收被压缩的已编码比特流,解码每一个句法元素,抽取上下文描述信息,例如宏块类型、宏块ID等,经过对码流进行熵解码和重排序等到一系列的量化系数,这些系数经过反量化和反变换得到残差数据,解码器使用从码流中解码得到的头信息创建一个预测块,预测块与残差求和得到为滤波的图像数据,再通过去方块滤波等到重建图像的解码块。
三、运动矢量预测
编码宏块分割的运动矢量将会花费相当大的比特数,尤其在选用小分割尺寸的情况下每一宏块分割的运动矢量,可以从邻近块的运动矢量预测得到。由上文已计算的运动矢量形成的预测运动矢量MVp的方式,以及由当前运动矢量和预测运动矢量形成的运动矢量残差MVD,被编码和传输。形成预测运动矢量MVp的方法依赖于运动补偿分割尺寸以及周围运动矢量的可用性。
MV解码流程如图2所示:
根据H.264协议的标准,对运动矢量预测有如下规定:
当前块E的周围A、B、C、D四个宏块(或子宏块)的位置如图所示,他们的原始运动矢量为mvLXN,参考索引refIdLXN,N代替A、B、C、D。其中D块只有在C块不存在的时候用到。
在实际的操作解码中,由于树状结构运动补偿的最小单位为4×4大小的块,即一个4×4块中的像素一定具有相同的运动矢量,所以在这里暂且不论相邻块A、B、C、D的大小为多大,为了存储和计算过程的统一性,只需要求出包含相对位置为(xN,yN)的像素点的4×4块的位置即可。如图3所示
四、研究方案
研究方案主要是针对H.264的解码器的结构特点来设计一种高效的支持高清视频解码的运动补偿解码电路结构,并将其实现。通过对H.264标准编解码器和码流句法元素编码方式、运动矢量预测、插值算法、存储的控制管理等特点,对参考模型的算法进行优化,对电路结构进行改进。通过参考基于H.264标准的运动矢量预测电路文献,确定其硬件架构,采用Verilog HDL进行建模和仿真,并采用DC进行逻辑综合和门级仿真并优化,减小设计的面积并提高设计编码的速度,结构框图如图4所示。
本设计的结构框图如图所示,在本设计中将运动矢量预测分为输出控制,预测运算和后处理三个部分,框图中Mv_ctrl是输出控制模块,实现对运动矢量预测总体的状态控制;预测运算包括与片上的SRAM进行通信和控制的Mem_ctrl,MV数据存储和刷新的Mem_data模块以及计算MV地址的Mv_sp模块;后处理则是对预测得到的MVP进行必要的加权处理和与码流中的MVD进行相加从而最后得到最终的MV。
五、总结
H.264解码器的运动补偿部分运算量占整个解码器电路的三分之一以上,设计复杂度大约占整个解码器电路设计复杂度的40%左右,所以进行高效的VLSI电路设计非常必要。目前,对运动补偿模块的超大规模集成电路设计主要设计思路一般是三级到四级流水线结构。H.264高清产品的推出无疑又会将我国的数字视频终端技术推上一个新台阶。
参考文献
[1]毕厚杰,王建,新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC(第二版)[M].人民邮电出版社,2009,11