基于FPGA的H.264幀內預測模塊設計

H.264/AVC是由國際電信聯(lián)盟（ITU）和國際標準化組織(ISO)共同提出的最新一代數字視頻壓縮標準，它吸取了以往壓縮技術的精華，又引進了其他壓縮技術無法比擬的許多新技術，因此，H.264在通信領域得到了廣泛應用。H.264/AVC壓縮效率很高，但算法的復雜度和運算量同時也大大增加，為了滿足視頻解碼實時性的要求，尋求更有效的解碼技術成為重要的研究課題。

幀內預測是視頻編解碼中重要的一部分，其主要功能是降低圖像的空間冗余。本文根據H.264/AVC 幀內預測的特點并結合對其算法的分析，提出了一種幀內預測硬件電路結構，有效地減少了硬件電路面積，提高了解碼的性能。

1 H.264幀內預測算法介紹

H.264視頻解碼器中，對于I和SI宏塊類型采用幀內預測來解碼。幀內預測模塊的輸入是當前宏塊相鄰左邊塊和上邊塊環(huán)路濾波前的像素值及參考預測模式，輸出是當前宏塊的預測值。預測值與反變換反量化得到的殘差值重構，得到宏塊的像素值。完成后，當前宏塊的部分像素值和預測模式要進行存儲，為后面宏塊解碼提供參考值。

H.264中亮度預測分兩類，一類是針對圖像中含有大量細節(jié)的部分采用4×4塊的預測模式（有9種預測模式）；另一類是對圖像中比較平緩的區(qū)域采用16×16塊的預測模式（有4種預測模式）。色度預測是8×8塊的預測模式，有4種預測模式，這4種預測模式與亮度16×16的預測模式相似，也有豎直、水平、DC和平面模式。所有的預測模式都是根據左邊塊和上邊塊的參考值，計算當前宏塊的預測值。

2 硬件實現

根據幀內預測算法，硬件結構劃分為predmode模塊、plane模塊、prediction模塊、reconstruct模塊、left_pixels模塊、predmode_ram、prediction_ram、sample和prediction_output模塊。如圖1所示，其中l(wèi)eft_pixels、prediction_ram、predmode _ram、sample和prediction_output模塊都是存儲單元，分別存儲的是當前宏塊左邊塊的參考值、當前宏塊上邊塊參考值、當前宏塊上邊塊的參考預測模式、提取的參考像素值和當前宏塊預測值輸出；predmode模塊預測計算出當前塊的預測模式；plane模塊是對plane預測模式的預處理；prediction模塊是幀內預測的核心計算單元,4個PE單元并行運算，一個時鐘周期解碼出一個4×4的一列4個預測值；reconstruct模塊的功能是實現重構。


2.1 predmode模塊設計

Intra_16×16和Intra_Chroma的預測模式可通過語法元素解析直接獲得，所以本模塊的主要任務是解析Intra_4×4的預測模式。

本模式預測器的輸入是當前4×4亮度塊的luma_4×4BlkIdx（塊索引）、解析的語法元素和當前宏塊的信息。輸出是當前宏塊的16個子塊的預測模式mb_predmode。predmode_ram中存儲的是當前宏塊上邊一行4×4塊的預測模式，如圖2陰影部分所示。左邊塊的預測模式存儲在predmode模塊內。對于高清圖像(分辨率為1 920×1 080)來說，predmode_ram需要的存儲空間為1 080 bit。

如圖3所示，E是當前塊，A是左邊塊，B是上邊塊，D是左上邊塊，C是右上邊塊。predmode模塊的結構如圖4所示，圖中predmode_B模塊的作用是獲得當前宏塊E的上邊塊B的預測模式，預測當前宏塊E的子塊0、1、4、5，需要從predmode_ram中讀取上邊塊的參考預測模式，其他子塊的上邊塊參考預測模式是當前塊已解碼子塊的預測模式。predmode_A模塊的作用是獲得當前宏塊E的左邊塊A的預測模式，預測當前塊E的子塊0、2、8、10時，左邊塊預測模式從reg_A里讀取。當宏塊E的16個子塊預測完成時，把5、7、13、15子塊的預測模式存儲到reg_A中，為下個宏塊模式預測提供左邊塊參考值。


2.2 prediction模塊設計

prediction模塊是整個幀內預測的核心計算模塊。prediction模塊的功能是根據獲得的參考像素，在不同預測模式下采用不同的預測公式計算當前塊的預測值。幀內預測共有17種預測模式，通常若對每種預測模式都設計預測器，當求解一個預算值時，其他16個模式處于空閑，這就造成了很大的資源浪費。通過分析各個模式所對應的運算法則，可以發(fā)現這些運算法則的共同特點是：(1)計算每個位置預測值最多需要4個參考樣本像素；(2)計算公式都可由加法和移位操作完成計算。根據各個預測模式的相似點，把17種預測模式集合到一個運算單元中，可大大節(jié)約硬件資源。

圖5給出了PE的設計，該PE的特點是：（1）Horizontal或Vertical預測模式中在獲得參考值x0后，在bypass控制下不需要經過運算單元直接獲得預測值；（2）DC模式，該模式的預測值是一個平均值。對于Intra_4×4_DC模式，用2個PE單元（PE0和PE1）在1個時鐘周期就可解得預測值。Intra_16x16_DC模式需要4個時鐘周期，假設左邊和上邊的參考像素值分別命名為L0～L15和U0～U15，前3個時鐘周期，PE0的輸入分別為（L0，L1，L2，L3）、（(L0+L1+L2+L3)，U0，U1，U2）、（(L0+L1+L2+L3+U0+U1+U2），U3，0，0)，輸出存儲在PE_reg中作為下個時鐘周期的輸入，PE1、FE2、PE3的輸入類同，最后一個時鐘周期把PE0、PE1、PE2、PE3作為PE0的輸入求出DC模式的預測值；（3）其他預測模式，如(A+2B+C+2)>>2和plane預處理單元的輸出都能經過此運算單元完成預測值的計算。

為了提高解碼速度，滿足視頻解碼實時性的要求，采用4個運算單元PE0、PE1、PE2和PE3同時運行， 4個運算單元4個時鐘周期可以解碼出一個4×4塊，提高了解碼速度。

2.3 plane模塊設計

2.3.1 簡化 plane預測模式

Intra_16×16_Plane模式和色度塊Intra_chroma_Plane模式是幀內預測中最復雜的預算模式，為了滿足系統(tǒng)實時處理的要求，可提前預算plane模式需要的一些參數。本文以Intra_16×16_Plane為例介紹如何簡化plane模式，Intra_chroma_Plane方法類同。

在plane模式運算中要用到乘法，為了節(jié)約硬件資源，采用移位來實現乘法，其中參數a、b、c的計算公式為：

上述公式，首先求得A后，pred（0，1）、pred（0，2）、pred（0，3）的值是在A的基礎上加上c、2c、3c，然后再進行移位和clip。pred（1，0）、pred（2，0）、pred（3，0）的值只是在A的基礎上加上b、2b、3b，然后再進行移位和clip。所以提前求得A、b、c，預算值是在A的基礎上加上b或者c的倍數，本方法可大大優(yōu)化plane模式。

2.3.2 plane模式硬件設計

plane模式的關鍵是求得參數H和V，其硬件設計如圖6所示。以V為例介紹本電路。

舉例說明本運算單元如何計算出參數H：

當a=a11、b=a12、c=a3、d=a3、sum=0、mux1=0、IS6=0、IS7=0、shift1=0、shift2=1時，就可以求得A1+A3。a=a21、b=a22、c=a51、d=a52、sum=0、mux1=0、IS6=0、IS7=0、shift1=1、shift2=2時，就可以求得A2+A5，并依照這個運算單元可求出A4+A6和A8+A7。

本電路4個時鐘周期就可以求得H或V，所以共需要8個時鐘周期求H和V。本方法與通常方法相比，只計算一次A、b、c的值，其他位置的預測值只需要在A的基礎上加上b或者c的倍數，降低了復雜度。

3 實驗結果

本設計使用Verilog HDL完成硬件代碼的編寫，并用Altera公司的Quartus II 8.0進行代碼的仿真和綜合。圖7為核心單元prediction模塊的仿真結果，PE0_out、PE1_out、PE2_out、PE3_out9為4個并行單元的輸出。采用Altera公司的Cyclone II進行本設計FPGA驗證，本設計占用的邏輯資源數量較少，節(jié)約了硬件資源。

本文根據H.264幀內預測的特點，提出了一種并行處理的硬件實現方法。該方法能夠提高幀內預測的處理速度，節(jié)約了硬件資源，滿足了高清視頻的解碼要求。