基于FPGA的幀內(nèi)預測編碼器硬件架構(gòu)設(shè)計詳解

基于FPGA的幀內(nèi)預測編碼器硬件架構(gòu)設(shè)計詳解針對幀內(nèi)預測的快速算法，由于DSP架構(gòu)軟件順序執(zhí)行的局限性難以滿足實時性要求，而FPGA以其高速的計算速度和強大的并行處理能力成為H.264和AVS編解碼的理想平臺。本文在FPGA平臺上采用資源共享、高并行和多流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了亮度幀內(nèi)預測算法。該方法在分析AVS幀內(nèi)亮度5種預測模式的基礎(chǔ)上，將像素預測與模式判決在一個模塊中完成，并且利用各模式預測的相似性，實現(xiàn)運算單元共享和多種模式并行執(zhí)行，兼顧了處理速度和實現(xiàn)代價。仿真及綜合結(jié)果表明該設(shè)計能夠完全滿足標清（704×576，30f/s）數(shù)字視頻的實時處理要求。AVS（AudioVideoCodingStandard）標準，是《信息技術(shù)—先進音視頻編碼》系列標準的簡稱，是由我國自主提出的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標準，這個標準達到了當前國際先進水平。AVS具有以下優(yōu)點：（1）性能高，編碼效率是MPEG2的2倍以上，與H.264的編碼效率處于同一水平;（2）復雜度低，算法復雜度比H.264明顯低，軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264;（3）我國掌握主要知識產(chǎn)權(quán)，專利授權(quán)模式簡單，費用低。AVS視頻標準制定的目標是：適應數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲媒體、因特網(wǎng)流媒體、多媒體通信等應用中對運動圖像壓縮技術(shù)的需要，這就對編碼的實時性提出了很高的要求。幀內(nèi)預測是AVS編解碼中很重要的部分，其原理是利用圖像內(nèi)部相鄰像素間的相關(guān)性來降低編碼碼率，也就是通過減少空間冗余度來達到壓縮的目的。視頻編碼器幀內(nèi)預測部分的硬件架構(gòu)設(shè)計方案一般分為兩種。第一種是基于可重構(gòu)硬件電路的設(shè)計。這種電路結(jié)構(gòu)設(shè)計思想是根據(jù)幀內(nèi)預測各模式算法上的相似性，設(shè)計出能夠處理所有預測模式的可重構(gòu)的運算單元。該運算單元可根據(jù)預測模式的不同對輸入的數(shù)據(jù)選擇相應的數(shù)據(jù)通路，從而達到資源的最優(yōu)化利用。由于該電路結(jié)構(gòu)是逐個處理各個模式的預測，因此其缺點是處理速度慢。第二種設(shè)計方案是將具有相同預測值求解算法的預測模式共用同一個預測器，以優(yōu)化資源利用，文獻采用了這種設(shè)計方案。本文參考第二種設(shè)計方案，提出了一種基于資源共享以及并行流水［7］的幀內(nèi)預測編碼器硬件架構(gòu)。1AVS幀內(nèi)預測模塊算法原理AVS的幀內(nèi)預測分為亮度（1uma）和色度（chroma）預測兩種，都是以8x8的塊為單位進行預測的。其中，亮度預測包括33個參考像素點，有5種預測模式（如圖1所示），Vertical預測模式、Horizontal預測模式、DC預測模式、Down_Left預測模式和Down_Right預測模式。圖1標示了AVS幀內(nèi)預測模式的預測方向，標號的對應關(guān)系為：Vertical模式（模式值為0）、Horizontal模式（模式值為1）、DC模式（模式值為2）、Down_Left模式（模式值為3）、Down_Right（模式值為4）。色度預測包括17個參考像素點，有4種預測模式，分別為：DC模式（模式值為0）、Horizontal模式（模式值為1）、Vertical模式（模式值為2）和Plane模式（模式值為3）。其中，DC模式、Horizontal模式、Vertical模式與亮度預測算法相同。AVS的幀內(nèi)預測模塊子塊級主要包括像素值預測和模式判決兩部分，實現(xiàn)的功能主要是在給出當前塊的左邊像素，左上像素以及上邊像素的情況下按照各種模式預測的方法得到當前塊的預測像素值。AVS編碼標準采用了計算預測塊和原始塊之間的SAD來尋找最合適的預測模式的方法。編碼器將所有的預測模式遍歷一遍，算出所有模式對應的SAD值，取其中擁有最小SAD的模式作為最終選擇的模式。2幀內(nèi)預測硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1幀內(nèi)預測模塊硬件設(shè)計方案設(shè)計中，Blockjudge子模塊的功能是由系統(tǒng)計數(shù)的BlockNum變量判斷當前塊在一幀圖像中的位置，從而決定當前塊的相鄰塊邊緣像素的可用性。由圖2可知，在給定輸入數(shù)據(jù)的情況下，多種模式并行掛起，由于預測是按一個時鐘預測一個像素進行的，在預測完一個像素就進計算一次絕對誤差計算，然后預測完下一個就將誤差累加，最終預測完成，SAD的計算也完成。模式判決模塊完成的是在SAD計算完后比較得出各模式下的SAD最小值，按其對應的預測模式即最佳預測模式選擇輸出對應的預測數(shù)據(jù)?？梢娬麄€過程是多個模式并行，并且共享公共運算單元，單個模式多級流水，從而提高資源利用率。2.2亮度預測模塊的VHDL實現(xiàn)幀內(nèi)亮度預測模塊的VHDL實現(xiàn)主要涉及到四部分：讀寫數(shù)據(jù)單元，運算單元，數(shù)據(jù)比較單元，輸出單元。這四個部分分別對應于狀態(tài)機（亮度幀內(nèi)預測模塊狀態(tài)機如圖3所示）的streceive、stcalculate、stcompare和sttrans狀態(tài)。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換通過狀態(tài)計數(shù)器完成，預測輸出數(shù)據(jù)用于與當前塊數(shù)據(jù)做殘差供DCT使用，最佳模式輸出供熵編碼寫碼流。系統(tǒng)的起始狀態(tài)是stidle狀態(tài)，當使能en置1時轉(zhuǎn)到streceive狀態(tài)；streceive狀態(tài)將接收的數(shù)據(jù)（總共接收97個數(shù)據(jù)，前64個是8x8塊的原始數(shù)據(jù)，后33個是參考數(shù)據(jù)）分別暫存到RAM00和RAM11中，RAM00中存儲的當前塊數(shù)據(jù)用于與各種模式預測值進行SAD運算，RAM11中的數(shù)據(jù)用于得出預測數(shù)據(jù)，同時在該狀態(tài)存儲預測模式V和H需要的參考數(shù)據(jù)；當使能en置0時進入stcalculate狀態(tài)，在stcalculate狀態(tài)將33個參考數(shù)據(jù)中相鄰的三個數(shù)據(jù)按（a+2b+c+2）》》2低通濾波，得到31個預測數(shù)據(jù)。并且存儲DDR模式，DDL模式，DC_LEFT模式和DC_TOP模式需要的預測數(shù)據(jù)。在stm4狀態(tài)讀取DC_LEFT和DC_TOP的預測數(shù)據(jù)d和e，同時進行運算（d+e）》》1得到f，將f進行限幅運算clip（f），從而得到DC模式的預測值并將其存儲；同時完成的有V，H，DDL，DDR的模式預測。預測過程按單像素進行，即串行輸入串行輸出，SAD的計算通過SAD《=SAD+ABS（a-b）累加完成。各種模式下2個時鐘完成一個像素值的存儲和絕對差值的計算；系統(tǒng)在stcompare狀態(tài)通過冒泡排序法得到SAD最小值minSAD，其對應的模式即為最佳預測模式；sttrans狀態(tài)完成最佳預測模式以及對應的預測值輸出。各種模式實現(xiàn)過程中的公共單元：主要運算單元：l《=（a+b+b+c+2）》》2;SAD《=SAD+ABS（a-b）;讀寫數(shù)據(jù)單元：V，DC_TOP是將8個值按列賦值得到64個數(shù)據(jù)；H，DC_LEFT是將8個值按行賦值得到64個數(shù)據(jù)；DDL，DDR是將15個值按照循環(huán)移位的方式給行賦值得到64個數(shù)據(jù)，都是通過循環(huán)嵌套計數(shù)器來完成。色度預測的狀態(tài)圖與亮度類似，只是輸入的參考數(shù)據(jù)是17個。Plane模式預測實現(xiàn)比較復雜，在給出輸入數(shù)據(jù)的情況下有一個預處理的過程，運算量較大，預處理過程中得到的中間結(jié)果需要判斷正負號，而且涉及到左移四位右移五位的運算，因此數(shù)據(jù)位寬需要擴展至16位，最終的符號位才不會被移走，負數(shù)在運算的過程中以補碼的形式存在，所以若符號位為1則在右移后高位補1，反之則補0。3實驗結(jié)果本文設(shè)計是以8×8塊為單元，采用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)了幀內(nèi)像素值預測以及模式判決模塊。設(shè)計中所采用的硬件處理平臺是Xilinx公司的VidexII系列FPGAxc2vp20，整個設(shè)計在ISE10.1環(huán)境下進行。3.1功能仿真結(jié)果仿真過程中我們將預測輸出內(nèi)容存儲到Pre_RAM中，在每個子塊預測結(jié)束時打印至文本文件，同時將相同的視頻碼流加入到我們采用的軟件模型并打印與我們仿真相應的部分內(nèi)容，將兩者進行比較。至模塊完成時，已成功完成一個完整視頻碼流的數(shù)據(jù)對比，結(jié)果完全相同。3.2時序仿真結(jié)果與功能仿真一樣，我們將Pre_RAM中存儲的內(nèi)容在每個塊預測結(jié)束時打印至文本文件，同時將相同的視頻碼流加入到我們采用的軟件模型并打印與我們仿真相應的部分內(nèi)容，將兩者進行比較，結(jié)果也完全相同。由于篇幅限制圖4僅給出了與圖5對應的同一亮度塊在軟件模型中的內(nèi)存數(shù)據(jù)，8x8亮度塊預測的仿真結(jié)果如圖5所示，圖中顯示的當前狀態(tài)是stm4，stcompare和sttrans，其中sum_v，sum_h，sum_dc，sum_dc_left，sum_dc_top，sum_ddl，sum_ddr分別表示各對應模式下的SAD值，log表示最佳預測模式，dataout表示最佳預測值，對比可知二者結(jié)果一致。3.3綜合資源利用情況如圖6所示，整個預測過程占用了328個時鐘周期。而系統(tǒng)時鐘頻率在100MHZ的情況下要達到實時時鐘周期需要控制在526之內(nèi)，顯然仿真結(jié)果表明該硬件結(jié)構(gòu)完全滿足標清AVS視頻實時編碼要求。4結(jié)束語本文將AVS幀內(nèi)亮度預測模塊的像素值預測和模式判決結(jié)合到