AVS（Audio Video coding Standard）是由中國(guó)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組制定的標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)針對(duì)音視頻產(chǎn)業(yè)需求而制定的標(biāo)準(zhǔn)。AVS-P2標(biāo)準(zhǔn)面向標(biāo)清、高清視頻編碼應(yīng)用，其采用了與H.264類似的技術(shù)框架。AVS標(biāo)準(zhǔn)在獲得高編碼效率的同時(shí)降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度[1]。

    幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼器包含編碼過(guò)程和重建過(guò)程兩個(gè)方向的碼流分支。編碼過(guò)程包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇、整數(shù)DCT變換、量化、熵編碼等過(guò)程；重建過(guò)程則將編碼過(guò)程中量化后的殘差系數(shù)進(jìn)行反量化反變換，最終得到重建像素[2]。圖1所示為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼器的硬件架構(gòu)。編碼器在預(yù)測(cè)一個(gè)8×8像素塊時(shí)，需要使用相鄰塊的重建像素作為參考樣本，編碼器需要等待相鄰子宏塊完成最優(yōu)預(yù)測(cè)模式選擇、變換量化和反量化反變換后才能對(duì)當(dāng)前子宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，這種編碼方法需要合理設(shè)計(jì)編碼流水結(jié)構(gòu)來(lái)保證編碼速度。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種幀內(nèi)預(yù)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)，使用重建像素作為參考樣本，具有相同預(yù)測(cè)值求解算法的預(yù)測(cè)模式共用一個(gè)預(yù)測(cè)器，在進(jìn)行編碼時(shí)無(wú)需等待參考樣本重建過(guò)程，其并行處理電路結(jié)構(gòu)提高了數(shù)據(jù)處理速度并且兼顧了編碼圖像的質(zhì)量。
1 幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法分析
    AVS幀內(nèi)預(yù)測(cè)亮度塊和色度塊均采用8×8塊，亮度塊共有5種預(yù)測(cè)模式，色度塊有4種預(yù)測(cè)模式，其中色度預(yù)測(cè)模式有3種與亮度預(yù)測(cè)模式算法相同。幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式如表1所示。

 
    參考文獻(xiàn)[3]提出的幀內(nèi)預(yù)測(cè)電路使用原始像素作為預(yù)測(cè)塊的參考樣本，在這一預(yù)測(cè)過(guò)程中編碼器無(wú)需等待相鄰塊完成重建過(guò)程，這種方法雖然提高了編碼的速度，但也降低了編碼圖像的質(zhì)量[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的并行流水線結(jié)構(gòu)，在對(duì)8×8像素子宏塊進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)，像素重建過(guò)程與像素預(yù)測(cè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼器無(wú)需等待重建過(guò)程，提高了編碼效率。具體流水線設(shè)計(jì)如下文所述。
    AVS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對(duì)一幀圖像進(jìn)行編碼時(shí)是以宏塊為單位進(jìn)行編碼，宏塊內(nèi)編碼則是以子宏塊編號(hào)依次進(jìn)行，亮度塊與色度塊分別編碼。在對(duì)圖3所示8×8子宏塊F進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)，相鄰的上邊和左邊宏塊已經(jīng)完成了重建過(guò)程，參考樣本存入寄存器中等待使用。當(dāng)前預(yù)測(cè)塊F為0號(hào)子宏塊時(shí)，幀內(nèi)預(yù)測(cè)使用的參考樣本均來(lái)自相鄰宏塊的重建像素且參考樣本A、B、C、D、E均可用；當(dāng)前預(yù)測(cè)塊F為1號(hào)子宏塊時(shí)，來(lái)自相鄰宏塊的參考樣本A、B、E和來(lái)自0號(hào)子宏塊的參考樣本C可用，其他參考樣本均不可用；當(dāng)前預(yù)測(cè)塊F為2號(hào)子宏塊時(shí)，分別來(lái)自0號(hào)和1號(hào)子宏塊的參考樣本A、B和來(lái)自相鄰宏塊的參考樣本C、E可用，其他參考樣本均不可用，對(duì)于來(lái)自1號(hào)子宏塊的參考樣本，只用到參考樣本塊B中的第一個(gè)樣本（即參考樣本r[9]），由于相鄰像素之間相似度很大，本文使用參考樣本r[8]代替r[9]，這樣只需使用0號(hào)子宏塊的重建像素；當(dāng)前預(yù)測(cè)塊F為3號(hào)子宏塊時(shí)，來(lái)自0號(hào)、1號(hào)和2號(hào)子宏塊的參考樣本E、A、C和來(lái)自相鄰宏塊的參考樣本B可用，宏塊內(nèi)的依賴性最強(qiáng)。同樣可以得出，色度子宏塊編碼時(shí)在宏塊中沒(méi)有依賴性。所以在對(duì)子宏塊逐塊進(jìn)行編碼時(shí)，可以在亮度子宏塊預(yù)測(cè)過(guò)程之間插入色度子宏塊的預(yù)測(cè)過(guò)程。幀內(nèi)預(yù)測(cè)器流水線設(shè)計(jì)如圖4所示。由于1號(hào)、2號(hào)子宏塊的參考樣本均只來(lái)自0號(hào)子宏塊的重建像素，因此可以依次對(duì)這兩個(gè)子宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，再對(duì)V色度子宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后對(duì)3號(hào)子宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)。在對(duì)色度塊進(jìn)行預(yù)測(cè)的同時(shí)亮度塊進(jìn)行重建，在流水編碼時(shí)無(wú)需等待相鄰子宏塊的重建像素，提高了工作效率。

3 并行幀內(nèi)預(yù)測(cè)電路硬件設(shè)計(jì)
    幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼器的另一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是模式預(yù)測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[5-6]提出了針對(duì)H.264中幀內(nèi)預(yù)測(cè)的可重構(gòu)硬件電路。該電路可根據(jù)預(yù)測(cè)模式的不同對(duì)運(yùn)算模塊和數(shù)據(jù)通路進(jìn)行重構(gòu)，從而達(dá)到對(duì)資源的最優(yōu)化利用。其缺點(diǎn)是像素塊處理速度慢，不利于實(shí)現(xiàn)高清實(shí)時(shí)編碼。參考文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)預(yù)測(cè)值求解算法相同的模式設(shè)計(jì)了一個(gè)共用的預(yù)測(cè)器，從而優(yōu)化硬件資源。本文采用第二種方法，通過(guò)分析各預(yù)測(cè)模式之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出一個(gè)模式通用的預(yù)測(cè)器，并采用8路數(shù)據(jù)并行處理，解決了可重構(gòu)硬件電路處理速度慢的問(wèn)題。
    分析亮度和色度的預(yù)測(cè)模式算法，本文將幀內(nèi)模式預(yù)測(cè)電路分為兩部分，亮度塊預(yù)測(cè)模式通用電路模塊和Plane模式預(yù)測(cè)電路模塊。
3.1 亮度預(yù)測(cè)模式電路設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)了8像素并行處理結(jié)構(gòu)，即預(yù)測(cè)電路一個(gè)時(shí)鐘完成8個(gè)像素預(yù)測(cè)，完成一個(gè)8×8子宏塊所有模式的預(yù)測(cè)并得到最優(yōu)預(yù)測(cè)模式最多需要8×5=40個(gè)時(shí)鐘。分析模式預(yù)測(cè)算法，Vertical和Horizontal模式直接輸出參考樣本為預(yù)測(cè)樣本值，即預(yù)測(cè)值為對(duì)應(yīng)行或列的r[i]或c[i]值，只需要將參考像素RAM中的值直接輸出；DC、Down_Left和Down_Right模式結(jié)構(gòu)中，均有兩次(a+2×b+c+2)>>2的運(yùn)算過(guò)程，其中a、b、c為求取預(yù)測(cè)值相對(duì)應(yīng)的參考像素，將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)并行結(jié)構(gòu)的硬件電路，該電路只包含移位和加法器模塊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該亮度預(yù)測(cè)模式硬件電路如圖5所示。

3.2 Plane預(yù)測(cè)模式電路設(shè)計(jì)
    Plane預(yù)測(cè)模式是幀內(nèi)預(yù)測(cè)中運(yùn)算最復(fù)雜的模式[9]，圖6所示是本文設(shè)計(jì)的Plane預(yù)測(cè)模式硬件電路。由于參數(shù)ia、ib、ic、ih和iv均是由已知的參考樣本經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到的，因此可以在編碼流水中提前在參考像素RAM中取出相應(yīng)的參考像素并計(jì)算出ia、ib和ic的值供預(yù)測(cè)Plane模式時(shí)使用。在Plane預(yù)測(cè)模式中使用到的乘法運(yùn)算均用移位來(lái)代替，節(jié)省了硬件資源。

    為了簡(jiǎn)化Plane模式的硬件結(jié)構(gòu)，假設(shè)A=ia+(-3)×ib+(-3)×ic+16，可以分析得出PredMatrix[x，y]=Clip1((A+x×ib+y×ic)>>5)，其中x×ib和y×ic運(yùn)算可以轉(zhuǎn)化ib和ic的移位加和運(yùn)算。
4 仿真和綜合結(jié)果

    本文根據(jù)高清視頻實(shí)時(shí)編碼的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了AVS幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼器的硬件電路。該編碼器每個(gè)時(shí)鐘周期可處理8個(gè)像素，采用并行流水線結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。該設(shè)計(jì)使用Verilog HDL語(yǔ)言完成硬件的編寫(xiě)，選用Altera公司的Cyclone II 系列2C35 FPGA芯片進(jìn)行了綜合和驗(yàn)證，部分仿真結(jié)果如圖7所示。其中enable_A~enable_E表示為預(yù)測(cè)塊所用參考樣本的可用性，valid_mode表示有效模式輸出，PE0_out_reg~PE7_out_reg表示8個(gè)像素預(yù)測(cè)輸出。從仿真圖中可以看出，電路按照本文設(shè)計(jì)的流水線進(jìn)行預(yù)測(cè)，每8個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果正確。本設(shè)計(jì)所占用的邏輯資源數(shù)量較少，節(jié)省了硬件資源；且本設(shè)計(jì)提出的并行流水線結(jié)構(gòu)能夠提高幀內(nèi)預(yù)測(cè)電路的工作速度，滿足了高清視頻實(shí)時(shí)編碼的要求，對(duì)AVS高清視頻編碼芯片設(shè)計(jì)具有一定的意義。

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