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在TM1300上实现H.26L的4×4点整数变换
yanqin | 2009-06-24 21:00:54    阅读:1154   发布文章
 

摘要:h.26l是下一代视频编码标准。它的编码性超越了所有现存标准,包括h.263+和mpeg-4(sp)。该文分析h.26l引入的多种新的编码特性,着重讲述4×4点整数变换,并提出一种在tm1300上实现的快速变换算法。

    关键词:h.26l uvlc 4×4点整数变换 tm1300

引言

h.26l是下一代视频编码标准。最初,h.26l由itu-t的vceg小组开始着手制订。2001年11月,mpeg和vceg联合成立jvt小组共同参与制订h.26l。也正因为mpeg的加入,h.26l将被纳入mpeg-4的第十部分。由于h.26l标准还在制订过程中,本文暂时以jvt提供的测试模型tml8为参考。

h.26l信源编码的基本编码框架类似于当前流行的视频编码标准,采用结合变换编码和预测编码的混合编码技术。它出色的性能主要来源于引入的新编码特性:4×4点整数变换、使用uvlc进行熵编码、1/4~1/8像素精度的运行矢量、有多种块大小进行运动估计等等。这些新的编码技术从不同侧面提高了压缩性能和容错性能。尤其是4×4点整数变换,是所有视频压缩协议中独一无二的。

虽然h.26l标准还在制订中,但是在初步的测试中,它的编码性能超越了现存所有标准,包括h.263+和mpeg-4(simple profile)。这些试验结果表明,在取得相同的客观视频质量下,h.26l比h.263+能够节省20%~50%的码率,比mpeg-4(sp)节省多达50%的码率。作为下一代视频编码标准,h.26l展示了其巨大的发展前景。

1 h.26l的4×4点整数变换

1.1 变换简介

在h.26l编码技术中,4×4点整数变换可以看作是dct变换的整数版本,主要完成去除图像的空间相关性,与4×4点dct变换有着相同的性质。先考虑一维的整数变换:设a,b,c,d是4个待变换的点,a,b,c,d是对应的4个变换系数,则可以用以下公式表示a,b,c,d点的正变换:

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

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

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

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

反变换公式如下:

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的关系是a=676a。也就是说,经过反变换后,还需要进行归一化操作,使得正变换和变换尺度一致。

同样二维的4×4整数变换的变换核是可分离的。分离的变换将计算复杂度从o(n4)降到o(n3)。

1.2 与8×8点dct变换的比较

与传统的dct变换相比,h.26l采用4×4点整数变换为视频编码带来了以下优点:

①有助于减少块斑和环形斑,提高了图像质量。由于对变换系数进行了量化,造成了高频系数丢失,所以恢复的图像中会有块班和环形班。在h.26l中,采用了更小的4×4点变换,可以有效抑制块斑和环形斑。

②整数变换减小了积累误差。传统的积累误差来自两个方面:正变换和反变换不匹配造成的误与量化造成的误差。为了达到压缩的目的,第二种误差不可避免。但是,由于h.26l采用了精确的整数变换,所以正变换和反变换不会产生误差,这样有效地减少了积累误差。

③运算速度快。因为h.26l采用的变换公式是一个简单的整数方程,也就是说计算都是基于整数的,而不是浮点数,所以它减少了单个变换的计算量,也有利于采用定点的dsp实现。

2 在tm1300中的实现

tm1300是一款32位超高性能的多媒体处理器。它的核心处理器采用的是vliw超长指令字结构,可以在每一个时钟周期内同时进行5个操作;支持高度并行的定制操作,能大大加快数字信号处理和多媒体应用中常见的特殊运行的性能,而定制操作在使用上类似于c语言函数调用,方便了程序的设计。

本文针对4×4点整数变换的特点和tm1300的定制运算指令的特点,对整数变换作了以下调整:先做行变换,再做列变换。由于行变换的结果不会超过16位的表示范围,故在作列变换之前,重新合并数据,再作列变换,这样作是基于以下两点考虑。

第一,由于视频输入数据为无符号的字节型,而tm1300是32位的处理器,以字为单位访问内存,能提高访问的效率。当前4×4数据块(指针为p1)和参考帧4×4数据块(指针为p2)的数据组织如下。待变换的点为当前数据块的值与参考帧数据块对应的值之差。

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,一个操作能完成4个8位乘/累加,一个机器周期(clk)最多能执行5个操作。与非定制的乘/累加相比,减少了运算的次数,提高了程序运行的并行度。

   图1为ifir8ui定制操作功能示意图。

3 实验结果

本文提出的基于tm1300的4×4整数变换的快速算法,使用了并行算是技术大大减少了计算量。实验表明,进行1个4×4点整数变换,直接用乘法和加法运算需要80个机器周期,改进后的算法只需28个机器周期;而利用tm1300进行1个8×8点定点dct变换需要180个机器周期,也明显大于4个4×4点整数变换时间。在变换方面h.264的变换编码运算复杂度小于其它编码方法。

  


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