一種基于FPGA高性能H．264變換量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：H．264作為最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)具有很高的壓縮性能，對它的研究具有重要的意義。根據(jù)H．264的變換量化算法設(shè)計一種基于FPGA的高性能變換量化處理結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用流水線操作和分時復(fù)用技術(shù)。結(jié)果顯示，該設(shè)計既節(jié)省了資源，又保證了效率；能夠同時處理整個4× 4塊的全部16個殘差輸入數(shù)據(jù)，并在236個時鐘內(nèi)完成對1個宏塊的殘差數(shù)據(jù)從輸入到反變換輸出重建值的完整變換量化過程。它的處理速度和性能大大提高，可用于硬件加速。
關(guān)鍵詞：H．264；變換；量化；FPGA

0 引 言
H．264高效的編碼效率是以其高復(fù)雜性為代價的，因此制約了它在高分辨率、實時處理等方面的應(yīng)用。而FPGA器件采用流水控制策略和并行處理方式，可為H．264復(fù)雜的編碼模塊提供硬件加速引擎。變換量化模塊在H．264編碼算法中被頻繁調(diào)用。因此研究在盡量合理控制其資源消耗的前提下，提高變換量化模塊的工作頻率及處理數(shù)據(jù)的吞吐量，并完成變換量化一系列完整功能的變換量化結(jié)構(gòu)具有重要的實際意義，也成為當(dāng)前研究的首要問題。H．264．變換是基于DCT的，其全部采用整數(shù)DCT變換，這樣就避免了正變換和反變換的失配問題，既不丟失解碼精度，也適合于FPGA硬件實現(xiàn)。

1 算法原理及分析
1．1 變換算法及分析
H．264變換是整數(shù)DCT變換，該算法實現(xiàn)了編碼端和解碼端反變換之間的零匹配，從而減少了解碼精度的丟失。通常H．264變換編碼以4×4塊為單位，核心變換矩陣如下：

當(dāng)核心變換矩陣中a＝1時，為DCT正向變換矩陣Cf，；若將DCT正向變換矩陣Cf，中所有的2變?yōu)?，并保持所有符號不變，則變成Hadamard變換矩陣Hi；若將以上矩陣中所有的2變?yōu)?，并使a=1／2，保持所有符號不變，則為DCT反向變換矩陣CTi。
1．2 量化算法及分析
H．264的分級標(biāo)量量化器支持多達(dá)52個量化步長Qstep，用量化參數(shù)QP進(jìn)行索引。范圍廣闊的量化步長能夠靈活準(zhǔn)確地控制比特速率和質(zhì)量之間的平衡。
在整數(shù)算法中，量化過程可以用以下運(yùn)算來實現(xiàn)：

式中：W為殘差系數(shù)；>>表示二進(jìn)制右移；幀內(nèi)塊和幀間塊f分別為2qbits／3，2qbits／6；MF為乘法因子，其值可根據(jù)W(i，j)在矩陣中不同的位置和量化參數(shù)QP的不同，查乘法因子表得到。
系數(shù)z的反量化方式如下：

式中：尺度因子V可根據(jù)Z(i，j)在矩陣中不同的位置和量化參數(shù)QP的不同，查尺度因子表得到。

2 FPGA硬件設(shè)計及實現(xiàn)
2．1 變換量化硬件整體結(jié)構(gòu)
在H．264編碼器中經(jīng)過預(yù)測后得到的殘差數(shù)據(jù)經(jīng)過變換T、量化Q后的數(shù)據(jù)分為兩路：一路經(jīng)過重排序Recoder后用于熵編碼；另一路為重建通路，經(jīng)過反量化Q-1、反變換T-1后與預(yù)測值P相加得到重建值，用于后面的宏塊的預(yù)測編碼。
H．264編碼標(biāo)準(zhǔn)中，在幀內(nèi)預(yù)測方式下，首先對16×16宏塊(亮度分量)的16個4×4塊進(jìn)行DCT變換，然后提取出DC系數(shù)組成一個4×4 DC塊；對于這個4×4 Dc塊要先進(jìn)行Hadamard變換，然后量化。在重建通路中需要注意：對于4×4 DC塊，要先進(jìn)行反Hadamard變換，再進(jìn)行反量化，目的是使反變換的動態(tài)范圍最大；再依據(jù)這個4×4 DC塊中16個數(shù)值對反量化后的16×16宏塊進(jìn)行反DCT變換。對于色度分量的DC系數(shù)也是一樣需要經(jīng)過進(jìn)一步變換。H．264變換量化整體結(jié)構(gòu)主要分為4大模塊，其框圖如圖1所示。

結(jié)構(gòu)框圖中DC_reg是一組用于存儲所有的DC系數(shù)值的寄存器，使用兩個同步FIFO存儲反量化后的AC系數(shù)，等待DC系數(shù)反變換反量化完畢以后，再一起送人最后的反DCT變換模塊中進(jìn)行處理。兩個同步FIFO在時鐘控制下先后進(jìn)行寫操作，其中一個存儲4×4塊反量化輸出的其中兩行數(shù)據(jù)，另一個在下一時鐘存儲這個4×4塊反量化輸出的另兩行數(shù)據(jù)。讀取時，則同時對兩個FIFO進(jìn)行讀操作，即一個時鐘內(nèi)這個4×4塊的反量化后的全部16個數(shù)值同時出現(xiàn)在反變換模塊的輸入端。