H.264／AVC中量化的Verilog實(shí)現(xiàn)

0 引 言

H.264作為新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是由ITU-T的視頻編碼專家組和ISO／IEC的MPEG(運(yùn)動(dòng)圖像編碼專家組)成立的聯(lián)合視頻小組共同開發(fā)的。它優(yōu)異的壓縮性能也將在數(shù)字電視廣播、視頻實(shí)時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)視頻流媒體傳遞以及多媒體通信等各個(gè)方面發(fā)揮重要的作用。

在核心技術(shù)上，H.264／AVC采用各種有效的技術(shù)，如統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼、1／4像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、基于4×4塊的整數(shù)變換、分層編碼語法等。由于采用了整數(shù)變換，計(jì)算不會(huì)出現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)，而且精度高等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率。在量化方面，量化步長采用52個(gè)，下面將主要分析量化。在此，提出量化的Verilog實(shí)現(xiàn)，將變換后的數(shù)據(jù)作為輸入，以量化后的碼流作為輸出，達(dá)到量化的目的。

1量化的功能介紹

取樣后的脈沖信號(hào)在時(shí)間上是離散的，但在幅值和空間上仍是連續(xù)的，即其可能取的值有無限多個(gè)，這就需要對(duì)它采用四舍五入的方法，將其可能的幅值數(shù)由無限多個(gè)變?yōu)橛邢迋€(gè)值。這種將信號(hào)幅值由連續(xù)量變成離散量的過程稱為量化。

在不降低視覺效果的前提下，量化過程可減少圖像編碼長度，減少視覺恢復(fù)中不必要的信息。H.264采用標(biāo)量量化技術(shù)，將每個(gè)圖像樣點(diǎn)編碼映射成較小的數(shù)值。一般標(biāo)量量化器的原理為：

式中：y為輸入樣本點(diǎn)編碼；QP為量化步長；FQ為y的量化值；round()取整函數(shù)(其輸出與輸入實(shí)數(shù)最近的整數(shù))。

2量化的算法介紹

在H.264中，量化步長Qstep共有52個(gè)值。如表1所示。其中，QP是量化參數(shù)，是量化步長的序號(hào)。當(dāng)QP取最小值0時(shí)，代表最精細(xì)的量化；當(dāng)QP取最大值51時(shí)，代表最粗糙的量化。QP每增加6，Qstep增加1倍。應(yīng)用時(shí)可以在這個(gè)較寬的量化步長范圍根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇。對(duì)于色度編碼，一般使用與亮度編碼同樣的量化步長。為了避免在較高量化步長時(shí)出現(xiàn)顏色量化人工效應(yīng)，現(xiàn)在的H.264草案把色度的QP最大值大約限制在亮度QP最大值的80％范圍內(nèi)。最后的H.264草案規(guī)定，亮度QP的最大值是51；色度QP的最大值是39。

在H.264中，量化過程是對(duì)DCT的結(jié)果進(jìn)行操作：

式中：Yij是矩陣Y中的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Zij是輸出的量化系數(shù)；Qstep是量化步長。

H.264量化過程還要同時(shí)完成DCT變換中“Ef”乘法運(yùn)算，它可以表述為：

式中：Wij是矩陣W中的轉(zhuǎn)換系數(shù)；PF是矩陣EF中的元素。根據(jù)樣本點(diǎn)在圖像中的位置(i，j)取值如表2所示。

利用量化步長隨量化參數(shù)每增加6而增加1倍的性質(zhì)，可以進(jìn)一步簡化計(jì)算，即：

式中：floor()為取整函數(shù)(其輸出不大于輸入實(shí)數(shù)的最大整數(shù))。式(3)可以寫為：

這樣，MF可以取整數(shù)。表3給出對(duì)應(yīng)QP值為0～5的MF值。對(duì)于QP值大于5的情況，只是qbits值隨QP值每增加6而增加1，而對(duì)應(yīng)的MF值不變。這樣，量化過程為整數(shù)運(yùn)算，可以避免使用除法，確保用16位算法來處理數(shù)據(jù)，在沒有PSNR性能惡化的情況下，實(shí)現(xiàn)最小的運(yùn)算復(fù)雜度如表3所示。


具體量化過程的運(yùn)算為：



式中：“》”為右移運(yùn)算，右移1次完成整數(shù)除以2；sign()為符號(hào)函數(shù)；f為偏移量。f的作用是改善恢復(fù)圖像的視覺效果，如對(duì)幀內(nèi)預(yù)測圖像塊f取2qbits／3；對(duì)幀間預(yù)測圖像塊廠取2qbits／6。

3具體實(shí)現(xiàn)

在該文中，用Verilog語言實(shí)現(xiàn)H.264的量化；運(yùn)用Modelsim進(jìn)行仿真；用QuartusⅡ進(jìn)行綜合。

根據(jù)Verilog編程，Modelsim仿真如圖1所示。

輸入的矩陣是[140，-1，-6，7，-19，-39，7，-92，22，17，8，31，-27，-32，-59，-21]，最后量化的結(jié)果為[17，0，-1，0，-1，-2，0，-5，3，1，1，2，-2，-1，-5，-1]。由此可知，這與Iain E.G.Richardson給出的結(jié)果相符合。所用的開發(fā)板是紅色颶風(fēng)第三代開發(fā)板，F(xiàn)PGA芯片是Altra EP2C35F484C8。從綜合后的報(bào)告可以看出，消耗的資源不到1％，如圖2所示。綜合后的RTL圖如圖3所示。

4結(jié) 語

介紹了H.264的量化算法，并用Modelsim進(jìn)行了仿真，結(jié)果與理論完全一致。分析了在FPGA開發(fā)板上的資源的消耗。由此可知，完全可以用FPGA實(shí)現(xiàn)H.264的量化。