摘 要： 闡述了AVS視頻解碼器的總體框架，詳細(xì)分析了幀內(nèi)預(yù)測的原理與算法，提出了一種可行的幀內(nèi)預(yù)測解碼器的硬件設(shè)計(jì)， 給出了每一模塊的功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹，并建立了一種高效的存儲(chǔ)機(jī)制。通過FPGA平臺(tái)的驗(yàn)證，表明本設(shè)計(jì)完全滿足AVS標(biāo)清視頻的實(shí)時(shí)解碼要求。
　　關(guān)鍵詞： 音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)；解碼器；幀內(nèi)預(yù)測； 現(xiàn)場可編程門陣列

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　　隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，多媒體信息已成為人類獲取信息的重要載體。經(jīng)數(shù)字化處理后的多媒體信息具有易加密、抗干擾、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但其數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)也對信息存儲(chǔ)設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)均提出了很高要求。因此，尋找更有效的編解碼技術(shù)已成為目前電子領(lǐng)域的主要研究問題之一。
　　AVS（Audio Video Coding Standard）標(biāo)準(zhǔn)是由中國數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組（簡稱AVS工作組）提出、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)、視頻、音頻、移動(dòng)視頻等9個(gè)部分，其中《第2部分 視頻》^[1](簡稱AVS視頻)于2006年3月實(shí)施, 主要面向高清晰度和高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲(chǔ)媒體和其他相關(guān)應(yīng)用。它具有四個(gè)主要特點(diǎn)^[2]：(1)先進(jìn)性，以H.264標(biāo)準(zhǔn)為起點(diǎn)，選用的技術(shù)具有國際前沿水平；(2)性能高，編碼效率比MPEG-2高2倍以上，與H.264的編碼效率相當(dāng)；(3)復(fù)雜度低，算法復(fù)雜度明顯低于H.264；(4)專利授權(quán)模式簡單，費(fèi)用明顯低于同類標(biāo)準(zhǔn)。
　　本文就AVS解碼器的幀內(nèi)預(yù)測模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論，介紹了AVS解碼器總體設(shè)計(jì)的架構(gòu)和各功能模塊。在介紹了幀內(nèi)預(yù)測原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了一種適于AVS幀內(nèi)預(yù)測解碼的硬件實(shí)現(xiàn)方法，提出了可行的流水線并行操作與存儲(chǔ)機(jī)制。最后給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真波形。
1 解碼器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
　　解碼器的結(jié)構(gòu)^[3]由系統(tǒng)控制模塊(System controller)和各功能模塊(Data processing)兩大部分組成，如圖1所示。

　　功能模塊之間的數(shù)據(jù)以8×8塊為單位流水處理，輸入的碼流經(jīng)過變長解碼模塊VLD(Variable Length Decoder)解析后，一部分反饋給系統(tǒng)控制模塊，該模塊可以接收標(biāo)志信號(hào)、轉(zhuǎn)換相應(yīng)控制狀態(tài)、發(fā)出使能信號(hào)、并統(tǒng)一時(shí)序等，控制各功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞與通信；一部分經(jīng)過反掃描模塊IZZ(Inverse ZigZag)、反量化模塊IQ(Inverse Quantizer)和反變換模塊IT(Inverse Transformer)恢復(fù)原始?xì)埐顢?shù)據(jù)；一部分經(jīng)過幀間預(yù)測（interframe prediction）或者幀內(nèi)預(yù)測IPRED（Intraframe PREDiction）模塊恢復(fù)預(yù)測值，并與殘差值疊加，由環(huán)路濾波模塊LF(Loop Filter）處理, 重建的數(shù)據(jù)回寫入WB(Write Back)SDRAM，為顯示（Display）輸出使用和后續(xù)的預(yù)測提供參考。
2 幀內(nèi)預(yù)測模塊的原理與設(shè)計(jì)
　　幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)是一項(xiàng)提高I幀壓縮性能的關(guān)鍵技術(shù)。幀內(nèi)預(yù)測的壓縮原理是利用圖像內(nèi)部特別是圖像平滑部分相鄰像素間的相關(guān)性來降低編碼碼率，也就是通過減少空間冗余來實(shí)現(xiàn)壓縮的目的。
2.1 幀內(nèi)預(yù)測原理
　　幀內(nèi)預(yù)測是利用當(dāng)前塊左邊和上邊可用的相鄰塊的邊緣像素進(jìn)行預(yù)測，得到當(dāng)前塊的預(yù)測值，再將預(yù)測值與實(shí)際的像素值相減得到預(yù)測殘差。編碼時(shí)只對量值較小的預(yù)測殘差進(jìn)行熵編碼，以減少碼流的大小，這樣就可以達(dá)到既精確又高效的壓縮目的。
　　解碼時(shí)用已解碼的相鄰塊邊緣像素值和當(dāng)前塊的預(yù)測模式求得當(dāng)前塊的預(yù)測值，再與IT、IQ處理后恢復(fù)的殘差值疊加，即可重構(gòu)原始圖像像素值。這里用作參考的像素值是沒有經(jīng)過環(huán)路濾波的數(shù)據(jù)，環(huán)路濾波過程要在一幀的數(shù)據(jù)預(yù)測完成時(shí)才進(jìn)行。
2.2 AVS幀內(nèi)預(yù)測算法
　　AVS解碼器的幀內(nèi)預(yù)測都是以8×8塊為單位，分為亮度（luma）和色度（chroma）預(yù)測兩種，如圖2所示。其中，色度預(yù)測包括17個(gè)參考像素點(diǎn)，有4種預(yù)測模式；亮度預(yù)測包括33個(gè)參考像素點(diǎn)，有5種預(yù)測模式。

　　亮度和色度的某些預(yù)測模式相同，綜合起來包括以下6種[1](其中，r[i]和c[i](i=0～16)分別為上邊和左邊參考像素點(diǎn)(r、c可表示亮度或色度），預(yù)測完成后得到一個(gè)8×8的預(yù)測樣本矩陣predMatrix)：
　　(1)Vertical模式
　　若r[i](i=1～8)可用，則利用上邊沿像素垂直預(yù)測：
　　predMatrix[x，y]=r[x+1]（x，y=0～7）
　　(2)Horizontal模式
　　若r[i](i=1～8)可用，則利用左邊沿像素水平預(yù)測：
　　predMatrix[x，y]=c[x+1]（x，y=0～7）
　　(3)DC預(yù)測模式
　　(a)若r[i]、c[i]（i=0～9）都可用，則利用當(dāng)前像素值對應(yīng)上邊、左邊參考像素的低通濾波值預(yù)測：
　　predMatrix[x，y]=((r[x]+2×r[x+1]+r[x+2]+2)>>2+(c[y]+2×c[y+1]+c[y+2]+2)>>2)>>1（x，y=0～7）；否則
　　(b)若r[i]（i=0～9）可用，則利用當(dāng)前像素值對應(yīng)上邊參考像素的低通濾波值預(yù)測：
　　predMatrix[x，y]=(r[x]+2×r[x+1]+r[x+2]+2)>>2
　?。▁，y=0～7）；否則
　　(c)若c[i]（i=0～9）可用，則利用當(dāng)前像素值對應(yīng)左邊參考像素的低通濾波值預(yù)測：
　　predMatrix[x，y]=(c[y]+2×c[y+1]+c[y+2]+2)>>2
　　（x，y=0～7）；否則
　　(d)predMatrix[x，y]=128（x，y=0～7）。
　　(4)Down_left預(yù)測模式
　　若r[i]、c[i]（i=1～16）均可用，則利用當(dāng)前像素所在的對應(yīng)連線兩端的參考像素的低通濾波值預(yù)測為：
?　　predMatrix[x，y]=(r[x，y+1]+2×r[x，y+2]+r[x，y+3]+2)>>2+(c[x，y+1]+2×c[x，y+2]+c[x，y+3]+2)>>2)>>1（x，y=0～7）
　　(5)Down_right預(yù)測模式
　　若r[i]、c[i]（i=0～16）均可用，則利用當(dāng)前像素所在的對應(yīng)連線頂端的參考像素的低通濾波值預(yù)測：
　　如果x=y，predMatrix[x，y]=(c[1]+2×r[0]+r[1]+2)>>2
　?。▁，y=0～7）；
　　如果x>y，predMatrix[x，y]=(r[x-y+1]+2×r[x-y]+r[x-y-1]+2)>>2（x，y=0～7）；
　　如果y>x，predMatrix[x，y]=(c[y-x+1]+2×c[y-x]+c[y-x-1]+2)>>2（x，y=0～7）。
　　(6)Plane預(yù)測模式
　　若r[i]、c[i]（i=1～8）均可用，
?　 predMatrix[x，y]=Clip1((ia+(x-3)×ib+(y-3)×ic+16)>>5)（x，y=0～7）。
　　
???
2.3 幀內(nèi)預(yù)測的硬件設(shè)計(jì)
　　文中所設(shè)計(jì)的幀內(nèi)預(yù)測總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括三部分：TopIICT模塊、TopIntrapred模塊和Topcombination模塊。TopIICT模塊完成經(jīng)過反整數(shù)余弦變換IICT（Inverse Integer Cosine Transformer）求得殘差數(shù)據(jù)；TopIntrapred模塊完成由預(yù)測模式和相鄰參考值求得預(yù)測值；Topcombination模塊完成對上述兩組數(shù)據(jù)的重建，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。因?yàn)閷τ?：2：0采樣格式的視頻序列，一個(gè)宏塊的亮度包含四個(gè)8×8塊，而兩個(gè)色度均只包含一個(gè)8×8塊的特點(diǎn)，這就決定了一個(gè)宏塊的亮度和兩種色度預(yù)測是可以并行執(zhí)行的，所以如圖3的總體結(jié)構(gòu)對亮度和色度均適用。其中加入FIFO的設(shè)計(jì)是為了緩沖兩路數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一時(shí)序，使系統(tǒng)能夠并行操作。

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2.3.1 TopIICT子模塊結(jié)構(gòu)
　　TopIICT模塊是幀內(nèi)和幀間預(yù)測都會(huì)使用到的模塊，并且由于其復(fù)雜的運(yùn)算過程使得其耗時(shí)較多，其他與之并行的模塊都要等待該模塊，以便統(tǒng)一時(shí)序進(jìn)行下一步處理。該模塊設(shè)計(jì)的效率偏低，不僅會(huì)影響系統(tǒng)效率，還會(huì)造成存儲(chǔ)其他等待數(shù)據(jù)對空間的占用和浪費(fèi)。因此，本文針對該模塊提出了如圖4所示的一種高效可行的并行流水操作的硬件設(shè)計(jì)方法。

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　　根據(jù)AVS幀內(nèi)預(yù)測的特點(diǎn)，提出了一種AVS幀內(nèi)預(yù)測解碼器的硬件結(jié)構(gòu)，充分利用了流水線、并行、資源復(fù)用等設(shè)計(jì)思想，并盡可能少使用存儲(chǔ)器資源，非常適合于ASIC設(shè)計(jì)。用Xilinx公司的Virtex4系列的XC4VSX35型FPGA，綜合出來的頻率達(dá)到133 MHz，完全滿足AVS標(biāo)準(zhǔn)清晰度(720×576，30 f/s)視頻的實(shí)時(shí)解碼要求。

參考文獻(xiàn)
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