H.264_AVC視頻編碼變換量化核實現

　　2003年推出新的視頻壓縮標準H.264 /MPEG-4 -10AVC，簡稱H.264/AVC。 H.264/AVC采用一系列新的壓縮方法[1]，可獲得更好的壓縮效果，其壓縮率達到以往標準的1.5~2倍。因此，基于這一標準的相關研究和硬件實現具有重要的意義。視頻壓縮硬件實現的關鍵是編解碼模塊，其中尤以編碼模塊最為核心。本文主要研究編碼模塊中的4×4整數變換量化核，提出硬件實現的優(yōu)化方法，并采用Verilog HDL語言進行硬件設計和綜合。

　　1 4×4整數變換量化核的原理

　　在以前的視頻編碼標準如MPEG-2和H.263中，對于預測的殘差數據都是采用8×8離散余弦變換(DCT)[1]作為變換的基本運算操作;而在H.264/AVC編碼標準中，則采用類似DCT變換形式的基于4×4 像素塊的整數變換。由于變換塊的尺寸縮小，運動物體的劃分更精確，而且運動物體邊緣處的銜接誤差大為減小。

　　對于整數變換方式，4×4像素塊的變換公式[3]為：

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　　式中，(CXCT)是二維變換核，Ef是縮放因子矩陣，符號表示CXCT矩陣里的每個元素和Ef矩陣中相同位置的元素相乘，a=1/2，b=

。為了更有效地壓縮數據，需要利用量化的方法對變換后的數據進行有損壓縮。同時，由于整數變換需要利用矩陣行向量的歸一化因子進行系數縮放處理，為降低變換的運算量，在H.264/AVC標準中將變換的系數縮放并進行量化運算處理，避免了復雜的實數運算和除法運算，更有利于硬件的實現。

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　　對于量化方式，正向量化運算可由如下公式[3]實現：

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　　式中， Zij為量化后的系數;Wij為變換矩陣W=CXCT中的元素;MF=

·2q，PF 稱為縮放系數，根據元素在陣列塊中的不同位置，其取值如表1所示，Qstep為量化步長，由0至51共52個量化參數QP決定，QP增加1， Qstep增加12.5%; q=15+QP/6，QP/6取整數;對于幀內宏塊f取2q/3，幀間宏塊f取2q/6。需要指出的是，MF的值可根據PF和QP的取值經簡單計算得到，并可形成表格，通過查表方式便可實現硬件運算，并有效地提高了運算速度。

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　　2 4×4整數變換量化核的優(yōu)化設計

　　為進一步提高硬件運算速度，減少硬件開銷，設計中采用了如下優(yōu)化方法：

　　(1)在求取變換陣W=CXCT時，根據變換的對稱性，將X的列變換(矩陣左乘)與行變換(矩陣右乘)分開實現，把二維變換分割為兩次一維變換，并采用快速堞形算法[4]來實現。一維變換的快速算法實現如圖1所示，其中的列變換可用如下算式表示：

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　　對于每列變換，需要進行8次加法和2次移位運算，而行變換則可根據矩陣轉置的性質ABT=(BAT)T，將經過列變換后的結果矩陣先進行轉置，再采用相同的變換形式運算。這樣對4×4點數據做一次變換，只需通過8×8次加法和2×8次移位運算便可完成。