在TM1300上實(shí)現(xiàn)H.26L的4×4點(diǎn)整數(shù)變換

摘要：H.26L是下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。它的編碼性超越了所有現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)，包括H.263+和MPEG-4（SP）。該文分析H.26L引入的多種新的編碼特性，著重講述4×4點(diǎn)整數(shù)變換，并提出一種在TM1300上實(shí)現(xiàn)的快速變換算法。

引言

H.26L是下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。最初，H.26L由ITU-T的VCEG小組開始著手制訂。2001年11月，MPEG和VCEG聯(lián)合成立JVT小組共同參與制訂H.26L。也正因?yàn)镸PEG的加入，H.26L將被納入MPEG-4的第十部分。由于H.26L標(biāo)準(zhǔn)還在制訂過程中，本文暫時(shí)以JVT提供的測試模型TML8為參考。

H.26L信源編碼的基本編碼框架類似于當(dāng)前流行的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用結(jié)合變換編碼和預(yù)測編碼的混合編碼技術(shù)。它出色的性能主要來源于引入的新編碼特性：4×4點(diǎn)整數(shù)變換、使用UVLC進(jìn)行熵編碼、1/4～1/8像素精度的運(yùn)行矢量、有多種塊大小進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)等等。這些新的編碼技術(shù)從不同側(cè)面提高了壓縮性能和容錯(cuò)性能。尤其是4×4點(diǎn)整數(shù)變換，是所有視頻壓縮協(xié)議中獨(dú)一無二的。

雖然H.26L標(biāo)準(zhǔn)還在制訂中，但是在初步的測試中，它的編碼性能超越了現(xiàn)存所有標(biāo)準(zhǔn)，包括H.263+和MPEG-4（Simple profile）。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，在取得相同的客觀視頻質(zhì)量下，H.26L比H.263+能夠節(jié)省20%～50%的碼率，比MPEG-4（SP）節(jié)省多達(dá)50%的碼率。作為下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.26L展示了其巨大的發(fā)展前景。

1 H.26L的4×4點(diǎn)整數(shù)變換

1.1 變換簡介

在H.26L編碼技術(shù)中，4×4點(diǎn)整數(shù)變換可以看作是DCT變換的整數(shù)版本，主要完成去除圖像的空間相關(guān)性，與4×4點(diǎn)DCT變換有著相同的性質(zhì)。先考慮一維的整數(shù)變換：設(shè)a,b,c,d是4個(gè)待變換的點(diǎn)，A，B，C，D是對應(yīng)的4個(gè)變換系數(shù)，則可以用以下公式表示a,b,c,d點(diǎn)的正變換：

A=13a+13b+13c+13d

B=17a+7b-7c-17d

C=13a-13b-13c+13d

D=7a-17b+17c-7d

反變換公式如下：

a'=13A+17B+13C+7D

b'=13A+7B-13C-17D

c'=13A-7B-13C+17D

d'=13A-17B+13C-7D

其中a和a'的關(guān)系是a'=676a。也就是說，經(jīng)過反變換后，還需要進(jìn)行歸一化操作，使得正變換和變換尺度一致。

同樣二維的4×4整數(shù)變換的變換核是可分離的。分離的變換將計(jì)算復(fù)雜度從O（N4）降到O（N3）。

1.2 與8×8點(diǎn)DCT變換的比較

與傳統(tǒng)的DCT變換相比，H.26L采用4×4點(diǎn)整數(shù)變換為視頻編碼帶來了以下優(yōu)點(diǎn)：

①有助于減少塊斑和環(huán)形斑，提高了圖像質(zhì)量。由于對變換系數(shù)進(jìn)行了量化，造成了高頻系數(shù)丟失，所以恢復(fù)的圖像中會有塊班和環(huán)形班。在H.26L中，采用了更小的4×4點(diǎn)變換，可以有效抑制塊斑和環(huán)形斑。

②整數(shù)變換減小了積累誤差。傳統(tǒng)的積累誤差來自兩個(gè)方面：正變換和反變換不匹配造成的誤與量化造成的誤差。為了達(dá)到壓縮的目的，第二種誤差不可避免。但是，由于H.26L采用了精確的整數(shù)變換，所以正變換和反變換不會產(chǎn)生誤差，這樣有效地減少了積累誤差。

③運(yùn)算速度快。因?yàn)镠.26L采用的變換公式是一個(gè)簡單的整數(shù)方程，也就是說計(jì)算都是基于整數(shù)的，而不是浮點(diǎn)數(shù)，所以它減少了單個(gè)變換的計(jì)算量，也有利于采用定點(diǎn)的DSP實(shí)現(xiàn)。

2 在TM1300中的實(shí)現(xiàn)

TM1300是一款32位超高性能的多媒體處理器。它的核心處理器采用的是VLIW超長指令字結(jié)構(gòu)，可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行5個(gè)操作；支持高度并行的定制操作，能大大加快數(shù)字信號處理和多媒體應(yīng)用中常見的特殊運(yùn)行的性能，而定制操作在使用上類似于C語言函數(shù)調(diào)用，方便了程序的設(shè)計(jì)。

本文針對4×4點(diǎn)整數(shù)變換的特點(diǎn)和TM1300的定制運(yùn)算指令的特點(diǎn)，對整數(shù)變換作了以下調(diào)整：先做行變換，再做列變換。由于行變換的結(jié)果不會超過16位的表示范圍，故在作列變換之前，重新合并數(shù)據(jù)，再作列變換，這樣作是基于以下兩點(diǎn)考慮。

第一，由于視頻輸入數(shù)據(jù)為無符號的字節(jié)型，而TM1300是32位的處理器，以字為單位訪問內(nèi)存，能提高訪問的效率。當(dāng)前4×4數(shù)據(jù)塊（指針為P1）和參考幀4×4數(shù)據(jù)塊（指針為P2）的數(shù)據(jù)組織如下。待變換的點(diǎn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的值與參考幀數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的值之差。

P1:cal,cb1,cc1,cd1 P2:ra1,rb1,rc1,rd1

ca2,cb2,cc2,cd2 ra2,rb2,rc2,rd2

ca3,cb3,cc3,cd3 ra3,rb3,rc3,rd3

ca4,cb4,cc4,cd4 ra4,rb4,rc4,rd4

第二，可以利用8位乘/累加的定制操作，一個(gè)操作能完成4個(gè)8位乘/累加，一個(gè)機(jī)器周期（CLK）最多能執(zhí)行5個(gè)操作。與非定制的乘/累加相比，減少了運(yùn)算的次數(shù)，提高了程序運(yùn)行的并行度。

   圖1為ifir8ui定制操作功能示意圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的基于TM1300的4×4整數(shù)變換的快速算法，使用了并行算是技術(shù)大大減少了計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)行1個(gè)4×4點(diǎn)整數(shù)變換，直接用乘法和加法運(yùn)算需要80個(gè)機(jī)器周期，改進(jìn)后的算法只需28個(gè)機(jī)器周期；而利用TM1300進(jìn)行1個(gè)8×8點(diǎn)定點(diǎn)DCT變換需要180個(gè)機(jī)器周期，也明顯大于4個(gè)4×4點(diǎn)整數(shù)變換時(shí)間。在變換方面H.264的變換編碼運(yùn)算復(fù)雜度小于其它編碼方法。