（电路与系统专业论文）avs解码器帧内预测和环路滤波器硬件设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 数字音视频编解码标准先进音视频编码标准( a v s ) 是我国自主制定的数 字电视、口t v 等音视频系统的基础性标准。a v s 标准第2 部分( a v s p 2 ) 属高效 的第二代视频编码技术，拥有与h 2 6 4 近似的压缩性能，并且实现方案简洁。a v s 标准的编码效率得到了极大提高，但其运算复杂度也大为增加，再加上实际应用 环境中实时运算的限制，对视频解码器的硬件实现提出了巨大的挑战。 本文研究了a v s 标准，详细分析了帧内预测算法和去块效应环路滤波算法， 提出了实现自适应帧内预测模块和环路滤波器模块的硬件架构。自适应帧内预测 硬件架构采用8 x 8 块级自适应流水线，利用滑动窗口获取片上存储器中的参考样 本，使用8 个并行的处理单元计算预测值，用脉动阵列实现复杂色度p l a n e 模式预 测值的计算。环路滤波器模块采用5 级流水线架构，使用由片上存储器和a h b 总线接口s d r a m 存储控制器组成的层次化存储器管理模块管理样本值，用改进 的边界滤波顺序解决了流水线冲突问题，用转置模块实现边界滤波样本的行列转 置，利用门控时钟降低功耗。 采用自项向下的设计方法，使用v e r i l o g 硬件描述语言完成了帧内预测模块和 环路滤波器的r t l 级建模，以参考模型r m 5 2 j 为基础建立了正确的cm o d e l 。 使用s y s t e m v e r i l o g 语言结合m e n t o r 公司的高级验证方法学( a v m ) 搭建验证平 台对设计进行功能验证，采用了事务级的验证策略，使用了随机约束和功能覆盖 率等验证技术新特性。该验证平台能够极大的提高验证效率，其组件具有可重用 性。使用s y n o p s y s 公司的仿真工具v c s 和m e n t o r 公司的仿真工具m o d e l s i m 对 两个模块进行功能仿真。采用中芯国际( s m i c ) 的0 1 8 所工艺库，用s y n o p s y s 的d e s i g nc o m p i l e 进行逻辑综合，采用了合适的综合策略和优化手段。 综合和验证的结果表明，上述两个模块的设计达到了本课题要求的目标。 关键词：a v s 标准；帧内预测；环路滤波；自适应流水线；验证方法学 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u d i ov i d e oc o d i n gs t a n d a r d ( a v s ) ，i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e da n do w n e db y c h i n a , i saf u n d a m e n t a ls t a n d a r di nd i 西t a lt vp t va n do t h e ra u d i o v i d e lb a s e d s y s t e m s a v sp a r t 2 ，t h ev i d e op a r t ，d e f i n e st h eh i g h l ye f f i c i e n ts e c o n dg e n e r a t i o n v i d e oc o d i n gt e c h n o l o g y i th a sc o d i n gp e r f o r m a n c ec l o s et oh 2 6 4 m o r e o v e r , i t s i m p l e m e n t a t i o ni ss i m p l ea n de a s y a l t h o u g ht h ec o d i n ge f f i c i e n c yo f t h ea v si sb e t t e r t h a n p r e v i o u ss t a n d a r d s ， f o rs o m er e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s ，t h ec o m p l i c a t e d c o m p u t m i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sl e a dg r e a tc h a l l e n g e sf o rt o d a y sv l s ii m p l e m e n t a t i o n b a s e do na n a l y s i so fa d v a n c e dc o d i n go fa u d i oa n dv i d e os t a n d a r d , e s p e c i a l l y i n t r a p r e d i c t i o n a n dd e b l o c k i n g f i l t e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g no fh l 的 p r e d i c t i o na n dd e b l o c k i n gf i l t e r t h e8 x 8 - b l o c kl e v e lp i p e l i n ei sa d o p t e dt oi m p r o v e t h er e a l t i m et h r o u g h p u t s l i d i n gw i n d o wi sd e s i g n e dt of e t c hr e f e r e n c ep i x e l s e i g h t p a r a l l e lp r o c e s s i n gd e m e n t sa r ee m p l o y e dt oh a n d l ee i g h tp i x e l s p l a n em o d ec a r r i e s o u tp r e d i c t i o nb a s e do ns c h e m eo fs y s t o l i ca r r a y af i v e - s t a g ep i p e l i n ei sa d o p t e dt o i m p r o v et h r o u g h p u t ah i e r a r c h i c a lm e m o r yo r g a n i z a t i o ni sp r o p o s e dt oo r g a n i z e p i x e l s ，w h i c hi n c l u d e so n - c h i pm e m o r ya n da h b - b a s e ds d r a mc o n t r o l l e r t h e h y b r i de d g ef i l t e ro r d e ri sd e v e l o p e dt od e a l 、析t hp i p e l i n eh a z a r d s 。t r a n s p o s i t i o n m o d u l ei ss u i t a b l et ot r a n s p o s i n gp i x e l s t h ep i p e l i n ew i t hg a t e dc l o c ki st or e d u c e p o w e r t h et o p d o w nd e s i g nm e t h o di su s e di nw h o l ed e s i g n t h ed e s i g ni sd e s c r i b e di n v e r i l o ga n das o f t w a r er e f e r e n c em o d e li sm a d eb a s e do nr m s z j a c c o r d i n gt o a d v a n c e dv e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y , t e s t b e n c hi sc o n s t r u c t e dt of u n c t i o n a l l yv 耐匆t h o d e s i g nb yu s i n gs y s t e m v e r i l o g , w h i c hu s e sf f a n s a c f i o n l e v e l s t r a t e g y , c o n s t r a i n t r a n d o ma n dc o v e r a g ed r i v e nm e t h o d o l o g y t h et e s t b e n c hi m p r o v e st h e v e r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e u s a b i l i t y f u n c t i o ns i m u l a t i o nh a sb e e nc o m p l e t e do ne a c h m o d u l eb yu s i n gv c sa n dm o d e l s i m b a s e do na p p r o p r i a t es t r a t e g yo fs y n t h e s i sa n d m e t h o do fo p t i m i z a t i o n ，t w om o d u l e sa r es y n t h e s i z eb yu s i n gs m i c0 18t i mc m o s t e c h n o l o g yl i b r a r y t h ev e r i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g no fi n t r a - p r e d i e t i o n a n dd e b l o c k i n g - f i l t e rh a sa c h i e v e dr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：a u d i oa n dv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，i n t r ap r e d i c t i o n , d e b l o c k i n gf i l t e r , s e l f - a d a p t i v ep i p e l i n e , v e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y 2 山东大学硕士学位论文 a s i c a a v s b s c m o s d c t d f d r a m d s p e d a h d l i c i p j p e g t m p e g o o p p e q p i 谭 r t l s r a m s o c t l m v l s l 符号说明 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a d v a n c e dv e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y a d v a n c e dv i d e oa u d i os t a n d a r d b o u n d a r ys t r e n g t h c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d e b l o c k i n gf i l t e r d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p j o i n tv i d e ot e a m m o t i o np i c t u r ee x p e r tg r o u p o b j e c to r i e n t a lp r o g r a m p r o c e s s i n ge l e m e n t q u a n t i z a t i o np a r a m e t e r r e g i s t e rf i l e r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y s y s t e mo nac h i p t r a n s c a t i o nl e v e lm o d e l v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n 专用集成电路 高级验证方法学 先进音视频编码标准 边界强度 互补金属氧化物半导体 离散余弦变换 环路滤波器 动态随机存储器 数字信号处理 电子设计自动化 硬件描述语言 集成电路 知识产权 联合图像专家组 联合视频组 运动图像专家组 面向对象的编程技术 处理单元 量化参数 寄存器堆 寄存器传输级 静态随机存储器 片上系统 事务级建模 超大规模集成电路 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 薹垒 e t期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丕聋 导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早瑁化 随着现代通信、多媒体技术和网络技术的快速发展，视频、图像、计算机视 觉和计算机网络技术日益融合，视频处理成为一个多学科领域，遍及国民经济和 社会生活的各个层面。同时人类获取的信息中，通过视觉获取的信息量约占总信 息量的7 0 ，而且视频信息具有直观性、可靠性、高效性、广泛性等一系列优点， 所以视频技术是一项非常重要的技术。 视频信息的巨大数据量成为存储和传输的瓶颈。例如，一幅6 4 0 x 4 8 0 分辨率 的彩色图像( 2 4 比特像素) ，其数据量约为7 4 m b 。若以每秒2 5 帧的速度播放， 则需要传输的比特率约为18 5 m b s ；若用6 5 0 m 的光盘存储该视频信息，仅仅能 播放2 8 秒钟。必须对视频信息进行大幅度的压缩。视频压缩编码就是在保证图像 质量的前提下，尽可能去除图像中的冗余信息，用尽可能少的数据量来表示图像， 以便于视频图像的存储和传输。视频压缩编码有两个要求：1 必须压缩在一定的 带宽内，即视频编码器应具有足够压缩比的功能；2 视频信号压缩之后，经恢复 应保持一定的视频质量。这个视频质量有两个标准：一个为主观质量，由人从视 觉上进行评定；一个为客观质量，通常用信噪比表示。 根据采用的信源模型，视频编码可以分为两大类：基于波形的编码和基于内 容的编码。如果采用“一幅图像由许多像素构成 的信源模型，这种信源模型的 参数就是每个像素的亮度和色度的幅度值，对这些参数进行压缩编码的技术称为 基于波形的编码。如果采用一个分量有几个物体构成的信源模型，这种信源模型 的参数就是各个物体的形状、纹理和运动。对这些参数进行压缩编码的技术称为 基于内容的编码。 在过去的二十多年里许多不同的压缩解压缩系统和算法被提了出来，为了鼓 励协调工作，使不同厂商的产品能够有效地沟通，有必要定义标准的压缩编码和 解码的算法，产生了一系列主要图像视频压缩标准的研究与发展，其中包括 j p e g 、m p e g 、h 2 6 x 和a v s 系列标准。有两大标准机构针对不同的应用场合开 4 山东大学磺士学位论文 发了不同的视频压缩标准。国际电信联盟( r r u ) 致力于电信应用开发了用于低 比特率视频电话的h2 6 x 标准；国际标准化组织a s o ) 主要针对消费类应用。删- t 和i s o i e c 两大组织颁布的各项视频标准推动了多媒体行业的发展国外图像 视频标准的演变，如图1 - l 所示：1 9 8 4 年c c f f f 第1 5 研究组发布了数字基群电 视会议编码标准h 1 2 0 建议。1 9 8 8 年c c i t t 通过的视频编码标准h2 6 1 建议， 视为视频压缩编码的一个里程碑。此后玎u 、i s o 等公布的基于波形的一系列视 频编码标准的编码方法都是基于h 2 6 1 中的混合编码方法。1 9 8 6 年，i s o 和c c i t t 成立了联合图像专家组( j p e gj o i n t p h o t o g r a p h i c e x p m s g r o u p ) ，研究连续色调静 止图像压缩算法国际标准，1 9 9 2 年7 月通过j p e g 标准。1 9 8 8 年璐咖信息技 术联合委员会成立了活动图像专家组( m p e g m o v i n g p i o a m ：e x p e r t c r o u p ) 。1 9 9 1 年公布了m p e g l 视频编码标准，码率为1 5 m b i t s ，主要应用于家用的v c d 的 视频压缩；1 9 9 4 年1 1 月，公布了m p e g 2 标准，用于数字视频广播、家用d v d 的视频压缩及高清晰度电视。1 9 9 5 年，爪j - t 推出h2 6 3 标准，用于低于6 4 k b i t s 的低码率视频传输，如p s t n 信道中的可视会议、多媒体通信等。1 9 8 4 年和2 0 0 0 年又分布了h2 6 3 + 、h2 6 3 + + 等标准。1 9 9 9 年1 2 月，i s o i e c 通过了“视听对 象的编码标准”m p e g - 4 ，除了定义视频压缩编码标准外，还强调了多媒体 通信的交互性和灵活性。2 0 0 3 年3 月，i t u - t 和i s o i e c 正式公布了h2 6 4 视频 压缩标准，不仅显著提高了压缩比，而且具有良好的网络亲和性，加强了对m 网、 移动网的误码和丢包的处理暇 i 9 8 6 9 8 81 掷 图1 - l 图像，视频标准的发展 我国最新自主开发的视频标准a v s ，是我国第一个具有自主知识产权、达到 国际先进水平的数字音视频编解码标准，定位于高分辨率数字广播、高密度激光 数字存储媒体、无线宽带多媒体通讯、互联网宽带流媒体等信息产业应用，是数 字音视频产业的共性基础标准。a v s 标准由数字音视频编解码标准工作组( 简称 山东大学硕士学位论文 a v s 工作组) 负责组织、推广工作。a v s 标准包括系统、视频、音频、一致性测 试、参考软件、数字媒体版权管理、移动视频、在口网络上传输a v s 和a v s 文 件格式等组成。2 0 0 3 年，a v s 工作组完成了视频标准审批稿信息技术先进音 视频编码第二部分：视频，代表了当前视频编解码领域的最新水平。2 0 0 4 年1 2 月，全国信息技术标准化技术委员会组织召开了a v s 标准审定会，审定委员会一 致认为：a v s 标准在技术、专利、标准三个方面创新突出。2 0 0 5 年3 月，原信息 产业部正式对全社会公示a v s 标准视频部分，同年5 月，a v s 标准视频部分正式 进入国家标准发布程序。其中的视频编码标准已经由国家标准化委员会颁布，国 家标准号为g b t 2 0 0 0 9 0 2 2 0 0 6 ，并于2 0 0 6 年3 月1 日正式实施1 2 , 3 1 。 a v s 标准是以当前国际最先进的m p e g - 4a v c h 2 6 4 框架为起点，自主制定 适合广泛数字音视频应用的中国标准。虽然a v s 采取了与a v c 相同的技术路线， 但具体格式不与a v c 兼容。相对于h 2 6 4 和m p e g 4 标准，a v s 至少在四个方 面具有比较优势： 首先是专利费用低； 其次是在压缩技术上，a v s 的数据压缩率高于国际标准，有利于在带宽 有限的环境下推广p t v 等项h 1 4 ； 第三，a v s 的兼容性比国际标准好。a v s 能够兼容m p e g 0 2 标准，有利 于市场推广。 a v s 标准采用的帧内预测技术，该技术利用了同一图像内的空间相关性，对 降低帧图像的码率，提高视频压缩性能起到了极其重要的作用。a v s 标准采用了 目前主流的基于块的混合编码框架，在压缩过程中引入了方块效应，为了消除或 降低方块效应对视频序列质量的影响，该标准在编码及解码环路中引入了去块效 应环路滤波。环路滤波器是a v s 标准的重要组成部分，是视频图像在低码率情况 下，保持清晰主观效果的主要技术保障。 1 2 v 8 解码器的发展现状 随着图像视频技术的迅猛发展以及消费类电子巨大的市场需求，国内外众多 研究机构和商业机构都在从事视频编解码器的研究，并推出了面向各种应用领域 6 山东大学硕士学位论文 的编解码芯片。视频编解码芯片有多种实现方式，一种是采用通用处理器或d s p ， 例如t i 采用d s p 架构的o m a p 和达芬奇平台，利用软件实现，优点是灵活，便 于升级和添加新的功能，缺点是软件的顺序执行方式很难达到实时的高清解码， 同时价格、功耗也难以满足市场的需求。另一种是基于电子系统级设计的s o c 架 构，采用软硬件协同工作，一方面利用硬件加速器提高了算法的效率，另一方面 具备软件的灵活性和可升级性。由于a v s 算法的复杂程度远远超过上一代标准， 单纯的软件或硬件实现难以满足要求，多采用第二种设计方式。 a v s 标准尚未成为正式的国际标准，a v s 专用解码芯片方面研究开发以国内 研究机构和本土芯片设计公司为主，国外公司还没有专门针对a v s 标准推出产 品。从目前来看，已经发布的支持a v s 标准解码芯片，真正能够实现商业应用的 并不多。 1 3 论文主要内容和论文结构 本文研究了a v s 视频标准，包括a v s 标准的应用领域、框架和级别，视频比 特流的语法和语义，重点是视频解码过程中的帧内预测模块和去块效应环路滤波 模块。在此基础上参与a v s 视频标准的解码器开发，确定整个视频解码器结构， 独立完成其中的帧内预测模块和环路滤波器模块设计。 本文的工作首先确定帧内预测模块和环路滤波器模块与其它模块的输入输 出接口，根据该模块的逻辑功能和性能指标，设计出最佳硬件实现架构，完成该 模块原始的规范说明文档。结合a v s 参考模型r m 5 2 j 和s y s t e m v e r i l o g 语言的 d p i 接口建立了软件参考模型( c 模型) ，并验证其正确。接下来用v e r i l o g 语言对 各个模块进行r t l 级建模。基于s y s t e m v e r i l o g 语言和高级验证方法学搭建验证 平台。根据r m 5 2 j 产生的中间输入输出测试向量产生激励，加载到验证平台，将 仿真输出与c 模型的输出向量进行比较，如果一致则说明该模块功能完全正确。 同时对各个模块进行逻辑综合，得出时序，面积等综合结果。 本论文共分为五章，每章的主要内容如下： 第一章是绪论部分，首先介绍了课题研究的技术背景，包括数字音视频编解码 技术及a v s 标准的发展概况，然后说明本课题的研究意义和所做的主要工作。 7 山东大学硕士学位论文 第二章对a v s 视频解码原理做了简单的介绍。首先对a v s 视频标准进行粗略的 介绍，然后阐述了a v s 视频的基本算法及a v s 解码器的系统设计，详细论述了帧 内预测模块和环路滤波器模块原理以及硬件架构设计中遇到的问题和方法。 第三章根据a v s 视频标准算法，分析了帧内预测模块和环路滤波器的特点，最 后详细介绍帧内预测模块和环路滤波器的硬件架构。 第四章根据校验模型r m 5 2 j 编写帧内预测模块和环路滤波器模块的c 模型，由 m e n t o r 公司提出的高级验证方法学，使用s y s t e m v e r i l o g 语言搭建验证平台对帧内 预测模块和环路滤波器模块的硬件架构功能验证，同时给出了逻辑综合的方法和 结果。 第五章结束语，对全文工作的总结。 8 山东大学硕士学位论文 2 1a v s 标准概论 第二章a v s 解码原理和分析 a v s 标准规定了解码器的操作。解码过程由解析比特流的编码符号，根据标 准规格处理这个数据，产生重构的视频图像。解码流程如图2 1 所示：解码器接 收到压缩的比特流，经过对码流进行熵解码获得一系列量化系数；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，预测块与残差数据求和得到图像块数据；最后每个图像块经过去块效应 环路滤波得到重建图像的解码块。 预测贰 l 建 解析部分 f 残差文 【u 7 。 叩厢婚仪厂 i 一i ji 一i 一 图2 1a v s 解码器框图 a v s 视频标准吸收了国内外研究机构近年来的优秀研究成果，属于高效的第 二代视频编码技术。相比于m p e g - 2 标准，编码效率提高2 3 倍。如果以a v s 视频标准进行标清视频广播应用，可以将m p e g - 2 标准所需的5 - 6 m b s 传输带 宽降低到1 5 3 m b s 。因此，即使在不进行大规模宽带光纤网络升级的情况下， 借助于a v s 视频技术，m t v 应用也可以在现有家用数字用户线( d s l ) 网络的 2 m b s 带宽下进行大规模实施。在新的宽带网络上，a v s 视频标准使业务量翻番。 在获得高编码效率的同时，a v s 视频标准尽可能保持了低的计算实现复杂度。 当编码高清视频信号时，a v s 视频获得了与先进视频编码标准a v c h 2 6 4 主要档 次相当的编码效率，但解码器的实现复杂度只有其6 0 7 0 。a v s 标准具有特 征性的核心技术，包括：帧内预测、多参考帧预测、变块大小运动补偿、1 4 像素 插值、整数变换量化、高效b 帧模式、熵编解码、环路滤波【5 6 1 。 1 帧内预测 9 山东大学硕士学位论文 a v s 视频标准采用空域内的多方向帧内预测技术。以往的编码标准都是在频 域内进行帧内预测，如m p e g 2 的直流系数( d c ) 差分预测，m p e g 4 的d c 及高 频系数( a c ) 预测。基于空域多方向的帧内预测提高了预测精度，从而提高了编码 效率。a v c h 2 6 4 标准也采用了这一技术，其预测块大小为4 x 4 及1 6 x 1 6 ，其中 4 x 4 帧内预测有9 种模式，1 6 x 1 6 帧内预测有4 种模式。a v s 视频标准的帧内预 测基于8 8 块大小，亮度分量只有5 种预测模式，大大降低了帧内预测模式决策 的计算复杂度，但性能与a v c h 2 6 4 十分接近。除了预测块尺寸及模式种类的不 同外，a v s 视频的帧内预测还对相邻像素进行了滤波处理来去除噪声。 2 多参考帧预测 多参考帧预测使得当前块可以从前面几帧图像中寻找更好的匹配，因此能够 提高编码效率。但一般来讲2 3 个参考帧基本上能达到更高的性能，更多的参考 图像对性能提升影响甚微，复杂度却会成倍增加。h 2 6 4 最多可采用1 6 个参考帧， 并且为了支持灵活的参考图像引用，采用了复杂的参考图像缓冲区管理机制，实 现较繁杂。a v s 视频标准限定最多采用两个参考帧，其优点在于：在没有增大缓 冲区的条件下提高了编码效率，因为b 帧本身也需要两个参考图像的缓冲区。 3 变块大小运动补偿 变块大小运动补偿是提高运动预测精确度的重要手段之一，对提高编码效率 起重要作用。在以前的编码标准m p e g - i 、m p e g - 2 中，运动预测都是基于1 6 x 1 6 的宏块进行的，在m p e g - 4 中添加了8 ( 8 块划分模式，而在h 2 6 4 中迸一步添加 了1 6 x 8 、8 x1 6 、8 x 4 、4 x 8 、4 x 4 等划分模式。但实验数据表明小于8 x 8 块的划分 模式对低分辨率编码效率影响较大，而对于高分辨率编码则影响甚微。在高清序 列上的大量实验数据表明，去掉8 8 以下大小块的运动预测模式，整体性能降低 2 0 o , 4 ，但其编码复杂度则可降低3 0 , - , 4 0 。因此在a v s p 2 中将最小宏块划分 限制为8 8 ，这一限制大大降低了编解码器的复杂度。 4 1 4 像素插值 m p e g - 2 标准采用1 2 像素精度运动补偿，相比于整像素精度提高约1 5 d b 编 码效率；h 2 6 4 采用1 4 像素精度补偿，比1 2 像素精度提高约0 6 d b 的编码效率， 因此运动矢量的精度是提高预测准确度的重要手段之一，影响高精度运动补偿性 能的一个核心技术是插值滤波器的选择。由于高清视频的特性，a v s 视频标准对 1 0 山东大学硕士学位论文 1 2 像素位置插值采用4 拍滤波器，其效果与6 拍滤波器相同，优点是大大降低 了访问存取带宽，是一个对硬件实现非常有价值的特性。 5 整数变换与量化 a v s 视频标准采用整数变换代替了传统的浮点离散余弦变换( d c t ) 。整数变 换具有复杂度低、完全匹配等优点。由于a v s - p 2 中最小块预测是基于8 8 块大 小的，因此采用了8 8 整数d c t 变换矩阵。8 8 变换比4 4 变换的去相关性 能强，在变换模块a v s 标准编码效率相比h 2 6 4 提高2 ( 约0 1 d b ) 。同时与h 2 6 4 中的变换相比，a v s 标准中的变换有自身的优点，即由于变换矩阵每行的模比较 接近，可以将变换矩阵的归一化在编码端完成，从而节省解码反变换所需的缩放 表，降低了解码器的复杂度。 量化是编码过程中唯一带来损失的模块。以前典型的量化机制有两种，一种 是h 2 6 3 中的量化方法，一种是m p e g 2 中的加权矩阵量化形式。与以前的量化 方法相比，a v s 标准中的量化与变换归一化相结合，同时可以通过乘法和移位来 实现，对于量化步长的设计，量化参数每增加8 ，相应的量化步长扩大1 倍。由 于a v s 标准中变换矩阵每行的模比较接近，变换矩阵的归一化可以在编码端完 成，从而解码端反量化表不再与变换系数位置相关。 6 高效b 帧模式 a v s 视频标准采用了更加高效的空域时域相结合的直接模式，并在此基础上 使用了运动矢量舍入控制技术，a v s 标准b 帧的性能比h 2 6 4 中b 帧性能有所提 高。此外，a v s 标准还提出了对称模式，即只编码前行运动矢量，后向运动矢量 通过前向运动矢量导出，从而实现双向预测。此方案与编码双向运动矢量效果相 当。 7 熵编解码 熵编码是视频编码器的重要组成部分，用于去除数据的统计冗余。a v s 视频 标准采用基于上下文的自适应变长编码器对变换量化后预测残差进行编码。其具 体策略为：系数经过“之字形扫描后，形成多个( r u n , l e v e l ) 数队，其中r u n 表 示非零系数前连续值为零的系数个数，l e v e l 表示一个非零系数；之后采用多个 变长码表对这些数对进行编码，编码过程中进行码表的自适应切换来匹配数对的 局部概率分布，从而提高编码的效率。编码顺序为逆向扫描顺序，这样易于局部 山东大学硕士学位论文 概率分布变化的识别。变长码采用指数哥伦布码，这样可降低多码表的存储空间。 此方法与h 2 6 4 用于编码4 x 4 变换系数的基于上下文的自适应变长编码器 ( c a v l c ) 具有相当的编码效率。相比于h 2 6 4 的算术编码方案，a v s 的熵编码方 法编码效率低0 5 d b ，但算术编码器计算复杂，硬件实现代码很高。 8 环路滤波 起源于h 。2 6 3 + + 的环路滤波技术的特点在于把去块效应滤波放在编码的闭环 内，而此前去块效应滤波都是作为后处理来进行的，如在m p e g - 4 中。在a v s 视频标准中，由于最小预测块和变换都是基于8 x 8 块的，环路滤波也只在8 x 8 块 边缘进行，与h 2 6 4 对4 x 4 块进行滤波相比，其滤波边数变为h 2 6 4 的1 4 。同 时由于a v s 视频滤波点数、滤波强度分类数都比h 2 6 4 中的少，大大减少了判断、 计算的次数。环路滤波在解码端占有很大计算量，因此降低环路滤波的计算复杂 度十分重要。 2 2a v s 标准帧内预测原理 a v s 标准规定了三种图像类型，分别是i 帧、p 帧和b 帧。帧内预测技术是 提高i 帧压缩性能的关键技术，压缩原理是利用图像内部特别是图像平滑部分相 邻像素间的相关性，降低编码码率，是一种通过减少空间冗余来实现压缩的技术。 帧内预测不需要参考其他图像，利用帧内先前已经编码块中的像素对当前块内的 像素值作出预测，将预测值与原始视频信号作差运算得到预测残差，再对预测残 差进行变换、量化及熵编码形成编码码流。残差在量值上小于实际的像素值，因 而熵编码后占用的码字也较少，能够有效减少i 帧图像的比特数，达到了压缩的 目的。解码过程根据与当前块左边和上边的存在相邻像素块和帧内预测模式，得 到预测值，然后与反变换输出的残差值得到重建样本值。 a v s 标准采用空域内的多方向帧内预测技术，帧内预测不需要参考其他图像， 根据与当前块左边和上边等相邻块和帧内预测模式来计算预测值，然后与反变换 输出的残差值重建样本值，某些重建后的样本值可作为下一块的参考样本。帧内 亮度预测和色度预测都是以8 x 8 块为单位，其中亮度预测有5 种预测模式，色度 预测有4 种预测模式。帧内预测过程包含三个主要步骤，即选择帧内预测模式、 1 2 山东大学硕士学位论文 获得参考样本和亮色度块帧内预测值的计算。帧内预测算法的流程如图2 2 所示。 i帧内预测 l选择模式 0 l获得参 i考样本 士 i 亮色度块帧 l 内预测计算 图2 2 帧内预测流程图 帧内预测选择模式根据邻近的左边块或上边块是否存在和解码器码流解析的 参数来确定预测模式，亮度和色度帧内预测模式与邻近块的关系见表2 1 所示。 在亮度块帧内预测中无论邻近块是否存在，都可以应用d c 模式，当左边块和上 边块均不存在也就是不存在参考样本时，d c 模式预测样本的预测值为1 2 8 ，第一 帧i 帧图像的第一个宏块就属于这种情况。其余的预测模式均要求有可用的参考 样本。色度块的帧内预测和亮度块相类似。 表2 1 亮色度帧内预测模式与邻近块的关系 邻近块是否存在亮度块帧内预测模式 左边块j 二边块均不存在 d c 左边块存在 h o r i z o n t a l 、d c 上边块存在v e r t i c a l 、d c 左边块、上边块均存在全部 邻近块是否存在色度块帧内预测模式 左边块、上边块均不存在 d c 左边块存在 h o r i z o n t a l 、d c 上边块存在v e r t i c a l 、d c 左边块、上边块均存在全部 预测值由当前块上边和左边的参考样本来预测，获得参考样本的过程就是判 断在这两个方向上的样本是否可用。当前块帧内预测所用到的样本在邻近块中的 位置如图2 3 所示，左边块、上边块、左上边块、右上边块、左下边块分别标记 为块a 、块b 、块d 、块c 和块e 。 1 3 山东大学硕士学位论文 块d块b 块c 当前 块a 8 x 8 块 块e 图2 3 参考样本在邻近块中的位置 亮度块帧内预测的计算： i n t r a _ 8 x 8v e r t i c a l 预测，当厂【司( i = 1 - - 8 )可用时，该模式才被使用， 此时p r e d m a t r i x x , y = ， 1 】( 柳户o 7 ) 。 i n t r a 一8 x 8 一h o r i z o n t a l 预测，当c o ( 卢1 8 ) 可用时，该模式才被使用， 此时p r e d m a t r i x x , y = c 叶1 】( x , y - - 0 - - - 7 ) 。 i n t r a 一8 x 8 一d c 预测，如果r i o 、c i 】( - - 0 - 9 ) 都可用，则p r e d m a t r i x x , y = ( ( ，h 】+ 2 唯时1 竹d 汁2 】+ 2 ) 2 + ( c m + 2 c 矿1 】+ c d 件2 】+ 2 ) 2 ) 1 ( x j 产o 7 ) ；否 则如果r i 】( i = 0 - - - - 9 ) 可用，则p r e d m a t r i x x , y = ( r x + 2 x ，d 汁l 】+ ，d 汁2 】+ 2 ) 2 ( x 扩= 0 7 ) ；否则如果c i 】( i = 0 - - 。9 ) 可用，则p r e d m a t r i x x , y = ( c m + 2 c 【矿1 】+ c y + 2 】+ 2 ) 2 ( x 0 , = 0 - - 7 ) ；否则p r e d m a t r i x x , y = 1 2 8 ( 动牟o 7 ) 。 i n t r a 一8 x 8 一d o w n l e f t 预测，当r q 、c q ( 卢l 1 6 ) 均可用时，该模式 才被使用，此时p r e d m a l a i x x , y = ( ( ，【砖矿1 + 2 x r d 叫- 2 】+ 巾巾件3 】+ 2 ) 2 h c 【j 巾睁l 】 + 2 x c 防哆件2 】托w 了件3 】+ 2 ) 2 ) l ( 叼产0 7 ) 。 i n t r a 一8 x 8 一d o w nr i g h t 预测，当r 嘲、e i 】( i = 0 - - 一1 6 ) 均可用时，该模 式才被使用，此时如果x 等于乃p r e d m a t r i x x , y 】= ( c 【1 】+ 2 ， o 】竹【l 】+ 2 ) 2 ( x 沪 0 - - - , 7 ) ；否则如果石大于乃p r e d m a t r i x x , y = ( ，k 扩1 + 2 x r x - y + r 陆吵一1 】+ 2 ) 2 ( x ，y ：o 7 ) ；否则如果y 大于五p r e d m a t r i x x , y = ( c y - x + 1 + 2 x c y 卅+ c 陟毋1 】+ 2 ) 2 ( 糊户0 7 ) 。 色度块帧内预测： i n t r a c h r o m a d c 预测，如果r i 】、e i 】( - - 0 - 9 ) 都可用，则p r e d m a t r i x x , y = ( ( 厂m + 2 ，1 j 时l 】+ ，1 x + 2 】+ 2 ) 2 + ( c y 】+ 2 c 矿l 】+ c 旷2 】+ 2 ) 2 ) l ( x 痧，= o 7 ) ；否 1 4 山东大学硕士学位论文 则如果厂【司( i = 0 - - 9 )可用，则p r e d m a t r i x x 纠v 】= ( ，m + 2 ，防+ - l 】+ ，防- 2 】+ 2 ) 、珍2 ( 删7 ) ；否则如果c 刃( 声0 9 )可用，则p r e d m a t r i x x 叫v = ( c m + 2 c 【旷1 】+ c 【旷2 】+ 2 ) 2 ( x 纠v - - 0 - - - 7 ) ；否贝0p r e d m a t r i x x # , = 1 2 8 ( x d , = 0 , - - - 7 ) i n t r ac h r o m ah o r i z o n t a l 预测，当c q ( 卢l 8 ) 可用时，该模式才被使 用，此时p r e d m a t r i x x 纠v = c 旷1 】( x d r = 0 - - -