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摘要：AVS标准是由2002年6月成立的“数字音视频编解码技术标准工作组”联合国内从事数字音视频编解码技术研发的科研机构和企业制定完成的，一套适应面十分广阔的技术标准。目前，视频解码器的实现的主要方法有：1）基于PC的软件实现；2）基于DSP的嵌入式系统实现；3）基于可编程逻辑器件的专用芯片实现。通用PC机非专用于视频处理，所以实现效率不高，而DSP虽然灵活性强，但是在性能以及性价比上不及FPGA。因此，FPGA平台是目前实现视频应用系统的理想平台。介绍AVS视频压缩标准，帧内预测部分的算法，帧内预测器系统的硬件实现；给出系统仿真和综合情况。
关键词：帧内预测；解码器；AVS；FPGA
中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)24-1309-04
Research and Realization of AVS Prediction Technology
LI Di-di
(Signal and information processing, CDHK Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: AVS video standard is developed by the Audio Video Coding Standard Working Group, which was approved in June 2002. It is the first advanced audio and video coding standard with fully Intellectual Property of our country.The current implementations of video encoder are as follow: i) video encoder software on PC; ii) using DSP; iii) using FPGA. However, PC’s CPU is not dedicated in video data processing so that the encoder software based on PC is not effective, and using DSP will cost more money if we need the same efficiency of FPGA. So Currently, FPGA is the perfect platform for the implementation of video encoder.The thesis emphasis on research of INTRA algorithm and the implementation of AVS video encoder. we first introduce the AVS technology,the INTRA algorithms,the hardware implementation,the Simulation and the synthesis of the system,the conclusions are made, and some further tasks are proposed.
Key words: INTRA; Encoder; AVS; FPGA
1 AVS技术简介
1.1 AVS视频压缩标准简介
AVS(Audio Video Coding Standard)际准，是《信息技术——先进音视频编码》系列标准的简称，是由我国自主提出的数字音视频编解码技术标准，这个标准达到了当前国际先进水平。AVS包含视频和音频编解码技术标准
AVS视频标准采用与H.264标准类似的技术框架，在性能上与H.264持平，但技术更为简洁。AVS视频标准制定的目标是：适应数字电视广播、数字存储媒体、因特网流媒体、多媒体通信等应用中对运动图像压缩技术的需要。
1.2 AVS的关键技术
AVS标准采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和熵编码等。帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像间的冗余；帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。再通过对预测残差进行变换和量化消除图像内的视觉冗余。最后，对运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数用熵编码进行压缩。
在接下来的章节中，将对帧内预测的算法进行介绍。
2 AVS帧内预测算法简介
2.1 AVS帧内预测
帧内预测是AVS的一个重要的特性。它是根据已编码的帧内相邻块的像素值来预测当前编码块像素值，然后和原始值取残差，对残差进行整数变换。
AVS的预测包含亮度预测和色度预测。AVS的亮度预测和色度预测都使用8×8尺寸的预测块为单位。与H.264不同的是，在应用相邻块的像素值进行预测之前，需要检查各个参考点所对应的块是否存在而且已经解码，若块存在且已经解码，对应的点标示为“可用”，否则标示为“不可用”。当预测模式需要使用的参考点为“不可用”时，此预测模式不能使用。
下面对AVS的亮度预测和色度预测的算法进行简单介绍。
2.1.1 亮度预测算法
AVS帧内亮度预测有5中预测模式：Vertical预测模式、Horizontal预测模式、DC预测模式、Down-Left预测模式和Down-Right预测模式。
图1标示了AVS帧内预测模式的预测方向，标号的对应关系为：Vertical模式（模式值为0）、Horizontal模式（模式值为1）、DC模式（模式值为2）、Down-Left模式（模式值为3）、Down-Right（模式值为4）。
2.1.2 色度预测算法
色度块帧内预测包括四种预测模式，分别为：DC模式（模式值为0）、Horizontal模式（模式值为1）、Vertical模式（模式值为2）和Plane模式（模式值为3）。其中，DC模式、Horizontal模式、Vertical模式与亮度预测算法相同。
2.1.3 帧内预测模式判决
由于亮度信号帧内预测模式有5种，需要3个比特来为其编码。由于亮度信号帧内预测模式有5种，需要3个比特来为其编码。为了节省编码码流比特数，编码器需要从帧内预测的不同模式中选择一个最合适的模式来进行编码，就涉及到了预测模式的判决。
同H.264模式决策相同，AVS编码标准同样采用了计算预测块和原始块之间的SAD(绝对误差和)来寻找最合适的预测模式的方法。编码器将所有的预测模式遍历一边，算出所有模式对应的SAD值，取其中拥有最小SAD的模式作为最终选择的模式，若有SAD相等的情况，则选择其中预测模式标号最小的模式作为最终模式，并输出得到此SAD的残差数组作为后续编码过程的输入项。这样，AVS仅使用2个比特即可将所采用的预测模式编码传输。
而在解码端，解码器就需要通过模式判决的逆过程将2比特的预测模式传输值还原成预测所需要的3比特模式值。
3 帧内预测模块系统硬件设计
3.1 总体结构设计
图2是本设计采用的帧内预测系统硬件结构框图。根据AVS帧内预测的算法，我们将整个帧内预测模块划分为模式预测、样本值计算和像素值重建三个部分，预测所需的参考样本值存放在模块专用RAM中，参考预测模式存放在存储预测模式RAM中。整个模块的简要工作过程为：首先由模式判别器从存储预测模式RAM中取出相邻块预测模式并对当前块进行模式判别；预测器依据预测模式进行帧内预测，将预测结果存入存储预测结果RAM中；等待IDCT结果RAM同步后，将预测结果数据输入到重建单元，最后将重建后的数据存入参考像素RAM中，将RAM中的参考样本值更新。
图3是帧内预测系统的状态机描述，默认状态是IDLE态；当整个AVS解码器对其发出start指令后，该系统开始运行；当完成整个宏块的预测后返回complete信号，以提示解码器已经完成帧内预测任务。其中FSM_0_start，FSM_1_start，FSM_2_start分别是3个子状态机的开始信号，FSM_0_finish，FSM_1_finish，FSM_2_finish分别是3个子状态机的结束信号。这3个子状态机分别为：FSM_0表示预测模式判决单元使用的状态机，FSM_1表示像素点预测单元使用的状态机，FSM_2表示重建单元使用的状态机。
图4显示了整个帧内预测模块的时序仿真部分波形。从图中可以看到当前解码进行到一幅图像中的第86个宏块。Rebuild模块正在向重建结果内存Rebuild_result_RAM中写入数据，其他子模块也都工作正常，rdb_rslram_wr、rdb_rslram_wraddr、rdb_rslram_wrdata分别表示Rebuild_result_RAM的写使能、写地址和写数据。
与功能仿真一样，我们也同样将Rebuild_result_RAM中存储的内容在每个块预测结束时打印至文本文件，同时将相同的视频码流加入到我们采用的软件模型并打印与我们仿真相应的部分内容，将两者进行比较。由于后仿真速度缓慢，条件有限，至模块完成时，我们已成功完成3种不同类型的图像帧数据对比，并完成了一个连续5图像帧流的数据对比，结果也完全相同。
4.2 综合
对帧内预测器作综合时，我们选择了Altera公司的Stratix II工艺，EP2S60F672C5ES综合库。图5显示了综合后的时序报告。
综合后面积报告以及布线报告限于篇幅略去。
5 结束语
设计通过FPGA开发板，对AVS编解码技术进行了实现。整个设计使用Verilog HDL语言设计完成，采用层次化、模块化的设计思路，将整个帧内预测器划分为多个功能模块，单独设计验证；最后将整个预测器连入AVS视频解码器系统，并下载到FPGA开发办进行硬件仿真和验证。
参考文献：
[1] 毕厚杰. 新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[2] Richardson E G,著,欧阳合,韩军,译.H.264和MPEG－4视频压缩[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[3] 梁凡.AVS视频标准的技术特点[J].电视技术.2005,(7):12-15.
[4] 虞露,胡倩,易峰.AVS视频的技术特点.电视技术.2005,(7):8-11.
[5] 尚克,邵卫东.图像和视频编码技术的发展[J].电脑知识与技术,2005,(36):174-176,178.
关键词：帧内预测；解码器；AVS；FPGA
中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)24-1309-04
Research and Realization of AVS Prediction Technology
LI Di-di
(Signal and information processing, CDHK Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: AVS video standard is developed by the Audio Video Coding Standard Working Group, which was approved in June 2002. It is the first advanced audio and video coding standard with fully Intellectual Property of our country.The current implementations of video encoder are as follow: i) video encoder software on PC; ii) using DSP; iii) using FPGA. However, PC’s CPU is not dedicated in video data processing so that the encoder software based on PC is not effective, and using DSP will cost more money if we need the same efficiency of FPGA. So Currently, FPGA is the perfect platform for the implementation of video encoder.The thesis emphasis on research of INTRA algorithm and the implementation of AVS video encoder. we first introduce the AVS technology,the INTRA algorithms,the hardware implementation,the Simulation and the synthesis of the system,the conclusions are made, and some further tasks are proposed.
Key words: INTRA; Encoder; AVS; FPGA
1 AVS技术简介
1.1 AVS视频压缩标准简介
AVS(Audio Video Coding Standard)际准，是《信息技术——先进音视频编码》系列标准的简称，是由我国自主提出的数字音视频编解码技术标准，这个标准达到了当前国际先进水平。AVS包含视频和音频编解码技术标准
AVS视频标准采用与H.264标准类似的技术框架，在性能上与H.264持平，但技术更为简洁。AVS视频标准制定的目标是：适应数字电视广播、数字存储媒体、因特网流媒体、多媒体通信等应用中对运动图像压缩技术的需要。
1.2 AVS的关键技术
AVS标准采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和熵编码等。帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像间的冗余；帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。再通过对预测残差进行变换和量化消除图像内的视觉冗余。最后，对运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数用熵编码进行压缩。
在接下来的章节中，将对帧内预测的算法进行介绍。
2 AVS帧内预测算法简介
2.1 AVS帧内预测
帧内预测是AVS的一个重要的特性。它是根据已编码的帧内相邻块的像素值来预测当前编码块像素值，然后和原始值取残差，对残差进行整数变换。
AVS的预测包含亮度预测和色度预测。AVS的亮度预测和色度预测都使用8×8尺寸的预测块为单位。与H.264不同的是，在应用相邻块的像素值进行预测之前，需要检查各个参考点所对应的块是否存在而且已经解码，若块存在且已经解码，对应的点标示为“可用”，否则标示为“不可用”。当预测模式需要使用的参考点为“不可用”时，此预测模式不能使用。
下面对AVS的亮度预测和色度预测的算法进行简单介绍。
2.1.1 亮度预测算法
AVS帧内亮度预测有5中预测模式：Vertical预测模式、Horizontal预测模式、DC预测模式、Down-Left预测模式和Down-Right预测模式。
图1标示了AVS帧内预测模式的预测方向，标号的对应关系为：Vertical模式（模式值为0）、Horizontal模式（模式值为1）、DC模式（模式值为2）、Down-Left模式（模式值为3）、Down-Right（模式值为4）。
2.1.2 色度预测算法
色度块帧内预测包括四种预测模式，分别为：DC模式（模式值为0）、Horizontal模式（模式值为1）、Vertical模式（模式值为2）和Plane模式（模式值为3）。其中，DC模式、Horizontal模式、Vertical模式与亮度预测算法相同。
2.1.3 帧内预测模式判决
由于亮度信号帧内预测模式有5种，需要3个比特来为其编码。由于亮度信号帧内预测模式有5种，需要3个比特来为其编码。为了节省编码码流比特数，编码器需要从帧内预测的不同模式中选择一个最合适的模式来进行编码，就涉及到了预测模式的判决。
同H.264模式决策相同，AVS编码标准同样采用了计算预测块和原始块之间的SAD(绝对误差和)来寻找最合适的预测模式的方法。编码器将所有的预测模式遍历一边，算出所有模式对应的SAD值，取其中拥有最小SAD的模式作为最终选择的模式，若有SAD相等的情况，则选择其中预测模式标号最小的模式作为最终模式，并输出得到此SAD的残差数组作为后续编码过程的输入项。这样，AVS仅使用2个比特即可将所采用的预测模式编码传输。
而在解码端，解码器就需要通过模式判决的逆过程将2比特的预测模式传输值还原成预测所需要的3比特模式值。
3 帧内预测模块系统硬件设计
3.1 总体结构设计
图2是本设计采用的帧内预测系统硬件结构框图。根据AVS帧内预测的算法，我们将整个帧内预测模块划分为模式预测、样本值计算和像素值重建三个部分，预测所需的参考样本值存放在模块专用RAM中，参考预测模式存放在存储预测模式RAM中。整个模块的简要工作过程为：首先由模式判别器从存储预测模式RAM中取出相邻块预测模式并对当前块进行模式判别；预测器依据预测模式进行帧内预测，将预测结果存入存储预测结果RAM中；等待IDCT结果RAM同步后，将预测结果数据输入到重建单元，最后将重建后的数据存入参考像素RAM中，将RAM中的参考样本值更新。
图3是帧内预测系统的状态机描述，默认状态是IDLE态；当整个AVS解码器对其发出start指令后，该系统开始运行；当完成整个宏块的预测后返回complete信号，以提示解码器已经完成帧内预测任务。其中FSM_0_start，FSM_1_start，FSM_2_start分别是3个子状态机的开始信号，FSM_0_finish，FSM_1_finish，FSM_2_finish分别是3个子状态机的结束信号。这3个子状态机分别为：FSM_0表示预测模式判决单元使用的状态机，FSM_1表示像素点预测单元使用的状态机，FSM_2表示重建单元使用的状态机。
图4显示了整个帧内预测模块的时序仿真部分波形。从图中可以看到当前解码进行到一幅图像中的第86个宏块。Rebuild模块正在向重建结果内存Rebuild_result_RAM中写入数据，其他子模块也都工作正常，rdb_rslram_wr、rdb_rslram_wraddr、rdb_rslram_wrdata分别表示Rebuild_result_RAM的写使能、写地址和写数据。
与功能仿真一样，我们也同样将Rebuild_result_RAM中存储的内容在每个块预测结束时打印至文本文件，同时将相同的视频码流加入到我们采用的软件模型并打印与我们仿真相应的部分内容，将两者进行比较。由于后仿真速度缓慢，条件有限，至模块完成时，我们已成功完成3种不同类型的图像帧数据对比，并完成了一个连续5图像帧流的数据对比，结果也完全相同。
4.2 综合
对帧内预测器作综合时，我们选择了Altera公司的Stratix II工艺，EP2S60F672C5ES综合库。图5显示了综合后的时序报告。
综合后面积报告以及布线报告限于篇幅略去。
5 结束语
设计通过FPGA开发板，对AVS编解码技术进行了实现。整个设计使用Verilog HDL语言设计完成，采用层次化、模块化的设计思路，将整个帧内预测器划分为多个功能模块，单独设计验证；最后将整个预测器连入AVS视频解码器系统，并下载到FPGA开发办进行硬件仿真和验证。
参考文献：
[1] 毕厚杰. 新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[2] Richardson E G,著,欧阳合,韩军,译.H.264和MPEG－4视频压缩[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[3] 梁凡.AVS视频标准的技术特点[J].电视技术.2005,(7):12-15.
[4] 虞露,胡倩,易峰.AVS视频的技术特点.电视技术.2005,(7):8-11.
[5] 尚克,邵卫东.图像和视频编码技术的发展[J].电脑知识与技术,2005,(36):174-176,178.