AVS（Audio Video coding Standard）是由中國數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標準工作組制定的標準，是國內(nèi)第一個針對音視頻產(chǎn)業(yè)需求而制定的標準。AVS-P2標準面向標清、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標準在獲得高編碼效率的同時降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度[1]。

    幀內(nèi)預(yù)測編碼器包含編碼過程和重建過程兩個方向的碼流分支。編碼過程包括幀內(nèi)預(yù)測模式選擇、整數(shù)DCT變換、量化、熵編碼等過程；重建過程則將編碼過程中量化后的殘差系數(shù)進行反量化反變換，最終得到重建像素[2]。圖1所示為幀內(nèi)預(yù)測編碼器的硬件架構(gòu)。編碼器在預(yù)測一個8×8像素塊時，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)測模式選擇、變換量化和反量化反變換后才能對當前子宏塊進行預(yù)測，這種編碼方法需要合理設(shè)計編碼流水結(jié)構(gòu)來保證編碼速度。針對上述問題，本文提出一種幀內(nèi)預(yù)測硬件結(jié)構(gòu)，使用重建像素作為參考樣本，具有相同預(yù)測值求解算法的預(yù)測模式共用一個預(yù)測器，在進行編碼時無需等待參考樣本重建過程，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)測算法分析
    AVS幀內(nèi)預(yù)測亮度塊和色度塊均采用8×8塊，亮度塊共有5種預(yù)測模式，色度塊有4種預(yù)測模式，其中色度預(yù)測模式有3種與亮度預(yù)測模式算法相同。幀內(nèi)預(yù)測模式如表1所示。

 
    參考文獻[3]提出的幀內(nèi)預(yù)測電路使用原始像素作為預(yù)測塊的參考樣本，在這一預(yù)測過程中編碼器無需等待相鄰塊完成重建過程，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]。針對上述問題，本文設(shè)計了幀內(nèi)預(yù)測的并行流水線結(jié)構(gòu)，在對8×8像素子宏塊進行幀內(nèi)預(yù)測時，像素重建過程與像素預(yù)測過程同時進行，幀內(nèi)預(yù)測編碼器無需等待重建過程，提高了編碼效率。具體流水線設(shè)計如下文所述。
    AVS標準中規(guī)定，對一幀圖像進行編碼時是以宏塊為單位進行編碼，宏塊內(nèi)編碼則是以子宏塊編號依次進行，亮度塊與色度塊分別編碼。在對圖3所示8×8子宏塊F進行幀內(nèi)預(yù)測時，相鄰的上邊和左邊宏塊已經(jīng)完成了重建過程，參考樣本存入寄存器中等待使用。當前預(yù)測塊F為0號子宏塊時，幀內(nèi)預(yù)測使用的參考樣本均來自相鄰宏塊的重建像素且參考樣本A、B、C、D、E均可用；當前預(yù)測塊F為1號子宏塊時，來自相鄰宏塊的參考樣本A、B、E和來自0號子宏塊的參考樣本C可用，其他參考樣本均不可用；當前預(yù)測塊F為2號子宏塊時，分別來自0號和1號子宏塊的參考樣本A、B和來自相鄰宏塊的參考樣本C、E可用，其他參考樣本均不可用，對于來自1號子宏塊的參考樣本，只用到參考樣本塊B中的第一個樣本（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號子宏塊的重建像素；當前預(yù)測塊F為3號子宏塊時，來自0號、1號和2號子宏塊的參考樣本E、A、C和來自相鄰宏塊的參考樣本B可用，宏塊內(nèi)的依賴性最強。同樣可以得出，色度子宏塊編碼時在宏塊中沒有依賴性。所以在對子宏塊逐塊進行編碼時，可以在亮度子宏塊預(yù)測過程之間插入色度子宏塊的預(yù)測過程。幀內(nèi)預(yù)測器流水線設(shè)計如圖4所示。由于1號、2號子宏塊的參考樣本均只來自0號子宏塊的重建像素，因此可以依次對這兩個子宏塊進行預(yù)測，再對V色度子宏塊進行預(yù)測，最后對3號子宏塊進行預(yù)測。在對色度塊進行預(yù)測的同時亮度塊進行重建，在流水編碼時無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)測電路硬件設(shè)計
    幀內(nèi)預(yù)測編碼器的另一個設(shè)計重點是模式預(yù)測電路的硬件設(shè)計。參考文獻[5-6]提出了針對H.264中幀內(nèi)預(yù)測的可重構(gòu)硬件電路。該電路可根據(jù)預(yù)測模式的不同對運算模塊和數(shù)據(jù)通路進行重構(gòu)，從而達到對資源的最優(yōu)化利用。其缺點是像素塊處理速度慢，不利于實現(xiàn)高清實時編碼。參考文獻[7-8]針對預(yù)測值求解算法相同的模式設(shè)計了一個共用的預(yù)測器，從而優(yōu)化硬件資源。本文采用第二種方法，通過分析各預(yù)測模式之間的關(guān)系，設(shè)計出一個模式通用的預(yù)測器，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題。
    分析亮度和色度的預(yù)測模式算法，本文將幀內(nèi)模式預(yù)測電路分為兩部分，亮度塊預(yù)測模式通用電路模塊和Plane模式預(yù)測電路模塊。
3.1 亮度預(yù)測模式電路設(shè)計
    本文設(shè)計了8像素并行處理結(jié)構(gòu)，即預(yù)測電路一個時鐘完成8個像素預(yù)測，完成一個8×8子宏塊所有模式的預(yù)測并得到最優(yōu)預(yù)測模式最多需要8×5=40個時鐘。分析模式預(yù)測算法，Vertical和Horizontal模式直接輸出參考樣本為預(yù)測樣本值，即預(yù)測值為對應(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的運算過程，其中a、b、c為求取預(yù)測值相對應(yīng)的參考像素，將其轉(zhuǎn)化為兩個并行結(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)簡單。該亮度預(yù)測模式硬件電路如圖5所示。

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

    為了簡化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運算可以轉(zhuǎn)化ib和ic的移位加和運算。
4 仿真和綜合結(jié)果

    本文根據(jù)高清視頻實時編碼的實際要求，設(shè)計實現(xiàn)了AVS幀內(nèi)預(yù)測編碼器的硬件電路。該編碼器每個時鐘周期可處理8個像素，采用并行流水線結(jié)構(gòu)對各個模式進行預(yù)測。該設(shè)計使用Verilog HDL語言完成硬件的編寫，選用Altera公司的Cyclone II 系列2C35 FPGA芯片進行了綜合和驗證，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個像素預(yù)測輸出。從仿真圖中可以看出，電路按照本文設(shè)計的流水線進行預(yù)測，每8個時鐘周期完成一個預(yù)測模式的預(yù)測，預(yù)測結(jié)果正確。本設(shè)計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)計提出的并行流水線結(jié)構(gòu)能夠提高幀內(nèi)預(yù)測電路的工作速度，滿足了高清視頻實時編碼的要求，對AVS高清視頻編碼芯片設(shè)計具有一定的意義。

參考文獻
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[2] 陳靖，劉京，曹喜信.深入理解視頻編解碼技術(shù)——基于 H.264標準及參考模型[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.
[3] Zhu Xiangkui，Yin Haibin，Gao Wen，et al.An intra prediction pipeline architecture design for AVS encoder[C].Consumer Electronics(ICCE)，2010.
[4] Wang Tu-Chih，Huang Yu-Wen，F(xiàn)ang Hung-Chi，et al.Performance analysis of hardware oriented algorithm modifications in H.264[C].Acoustics，Speech，and Signal Processing，2003.
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[6] 劉凌志，路奇，戎蒙，等.一種并行結(jié)構(gòu)的H.264幀內(nèi)預(yù)測器[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40(1)：54-58.
[7] Huang Yu-Wen，Hsieh Bing-Yu，Chen Tung-Chien，et al. Hardware architecture design for H.264/AVC intra frame  coder[C].International Symposium on Circuits and System，2004.
[8] Kao Yu-Chien，Kuo Huang-Chih，Lin Yin-Tzu，et al.A  high-performance VLSI architecture for intra prediction and  mode decision in H.264/AVC video encoding[C].Asia Pacific Conference on Circuits and Systems，2006.
[9] 宋健，王祖強，秦盼.H.264視頻解碼器中幀內(nèi)預(yù)測模塊的硬件設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(10)：53-59.