CN102186082B - 基于h.264协议中对于帧内编码压缩技术的优化解码方法 - Google Patents

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Abstract

基于H.264协议中对于帧内编码压缩技术的优化解码方法，本方法根据帧内预测编码原理，在解码端提出一种经过优化的解码方法。该种设计结构以节约时钟周期，简化运算单元为宗旨，对输入码流解码，还原出原图像的像素。在对两种宏块的预测编码特点及算法进行研究分析后，对过程进行化简分析，合理布局，解码时根据宏块位置以及参考像素的调用特点采取并行解码，从而达到实现准确高效的图像解码的目的。本发明的优点：1、节约时钟周期，2、可以适应实时解码响应的要求；3、简化运算单元以及电路结构，方便更新；4、采用并行解码机制，加速解码过程。

Description

基于H.264协议中对于帧内编码压缩技术的优化解码方法
技术领域
本发明是基于H.264协议中对于帧内编码压缩技术的解码部分研究。在对宏块特点和具体的编码模式特点进行分析后，针对宏块和算法进行优化，从而提出新的方案和架构。
背景技术
随着数字高清电视改造的推进和新媒体的不断涌现，视频传输对网络带宽提出了更高的要求，而目前仍处于主流应用的音视频编解码技术，由于其技术陈旧需要更新以及收费较高的原因即将退出历史舞台。H.264作为一种高性能的视频编码技术，由于其优越的视频压缩比率，使得该技术在数字视频通讯领域得到迅速的发展和应用。相比于MPE6-2和MPE6-4技术，H.264技术可以在同等图像质量下大大缩减传输过程中的数据量，从而减少带宽。
H.264之所以具有如此优越的压缩效果，主要在于其高效的编码技术，通过编码端的预测编码，可以令本来的数据量长度大大缩减。但是在此同时，复杂度和算法量却会大幅度的提高，带来了解码和编码时间的增加。因此本发明的主要目的就是保证H.264视频压缩标准高效率的压缩状态下，尽可能地降低解码端算法复杂度和运算量。
H.264的压缩预测编码主要有帧内预测和帧间预测两种，经过帧内预测编码，原来的数据可以大大缩减，便于网络的传输，本文提出了一种帧内预测的解码的方法。
发明内容
鉴于H.264帧内预测解码的优点以及对高速解码的要求，对宏块进行分解变换，以利于实现高速解码。
本方法根据帧内预测编码原理，在解码端提出一种经过优化的解码方案。该种设计结构以节约时钟周期，简化运算单元为宗旨，对输入码流解码，还原出原图像的像素。在对两种宏块的预测编码特点及算法进行研究分析后，对过程进行化简分析，合理布局，解码时根据宏块位置以及参考像素的调用特点采取并行解码，从而达到实现准确高效的图像解码的目的。
本发明的技术方案具体如下：
基于H.264协议中对于帧内编码压缩技术的优化解码方法，其特征在于：H.264帧内预测编码是以16×16和4×4两种宏块为单位完成编码的，对于图像平缓的区域采用预测模式较少的16×16宏块单位编码，对于图像变化陡峭的区域要采用预测模式较多的4×4宏块单位编码，由于16×16宏块的像素点较多，对16×16模块进行分解，将分解后得到的16个4×4模块与其他的4×4模块放到一起进行解码，这样每完成一个宏块解码，都只需花费16个时钟周期，在完成以上分解后，可以实现预测模式算法的首部化简，在新生成的4×4宏块下会产生10种新的预测模式，在将16×16予以分解后，可将其中的水平、垂直、DC模式与原4×4的预测模式进行合并，平面模式单独解码，于是可得到10种可能遇到的预测模式，对10种预测模式进行分析，在协议给定算法上化简抽象，找出共同的运算单元，最后总结出5种运算模块完成全部的解码运算；
5种抽象运算形式分别为：
Pred4×4[x，y]＝A；
Pred4×4[x，y]＝(A+3*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+2*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+B+C)＞＞1；
Plane运算即平面模式运算；
根据解码流程设计出相应的模块单元：
控制单元：完成存储器寻址以及运算单元的顺利调用、寄存器数据的更新；
运算单元：完成像素解码的相应计算；
存储单元：保存参考像素点的数值和等待更新的参考点像素值；
解码流程：
第一步：判断是否是新的宏块解码，如果是进行第二步；
第二步：是否采用帧内预测编码，如果则进行第三步；
第三步：读取预测参数值，判断临近宏块是否存在；
第四步：提取临近宏块预测模式及预测参考值；
第五步：计算宏块预测像素值，存储宏块预测像素值；
第六步：更新预测参考点值存储器；
如果需要解码的宏块使用不同的预测模式，则可以对宏块的解码进行并行处理；
具体步骤如下：
第一步：判断宏块编号，组合宏块与当前宏块的预测模式是否相同，不同则进行第二步，否则进行第三步；
第二步：将两宏块进行并行处理，调用不同的运算单元；跳转到第四步
第三步：对两宏块进行串行处理，依次对宏块进行解码；
第四步：更新块编号寄存器，接着跳回第一步继续下一次解码；
在对任何一个宏块进行解码时，都需要用左侧以及上方的像素点作为参考值，在由16个4×4宏块构成的待解码块中，为了提高解码速度，充分调用已有的硬件资源，可以考虑使用并行解码的方案，在该宏块图中，按照图中标定的编号进行解码，并行解码要注意不能调用同样的参考像素点，完成1、2号宏块的解码后，即可对3、5号宏块同时开始解码，这对宏块的解码并不存在参考像素点使用上的冲突，在此之后按照4和6、7和9、8和10、11和13、12和14的顺序同时解码，最后再对15、16号像素点解码；
在并行解码时，需要判断并行处理的宏块是否使用同一个预测模式，预测模式的选取决定了最后是否调用同一个运算单元，如果两个宏块调用了同一运算单元，则需转入串行队列，如果采用不同预测模式，则可以进行并行处理。
本发明的优点：1、节约时钟周期，2、可以适应实时解码响应的要求；3、简化运算单元以及电路结构，方便更新；4、采用并行解码机制，加速解码过程。
附图说明
图1和图2表示4×4和16×16宏块根据不同方向的预测方案；
图3表示帧内解码的流程；
图4表示组合运算单元的结构图；
图5表示帧内预测完整的结构模块图；
图6表示4×4宏块在整体待解码宏块中的解码顺序；
图7表示帧内预测解码模块中并行处理的流程。
具体实施方式
16×16的预测模式示意图如图1所示，在编码标准中存在水平、垂直、DC、平面四种预测参考模式；4×4的预测模式示意图如图2所示，存在水平、垂直、下左对角线、下右对角线、左垂直、右垂直、上水平、下水平、DC九种预测参考模式。
在将16×16予以分解后，可将其中的水平、垂直、DC模式与原4×4的预测模式进行合并，平面模式单独解码。于是可得到10种可能遇到的预测模式。
对10种预测模式进行分析，在协议给定算法上化简抽象，找出共同的运算单元，最后总结出5种运算模块完成全部的解码运算。
5种抽象运算形式分别为：
Pred4×4[x，y]＝A；
Pred4×4[x，y]＝(A+3*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+2*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+B+C)＞＞1；
Plane运算(即平面模式运算)
解码流程图如图3中所示
根据解码流程图设计出相应的模块结构(如图5)：
控制单元：完成存储器寻址以及运算单元的顺利调用、寄存器数据的更新；
运算单元：完成像素解码的相应计算；
存储单元：保存参考像素点的数值和等待更新的参考点像素值。
解码运算时的并行设计方案：
在对宏块进行解码时，需要调用运算单元完成解码。由于一次解码解出的一个像素值只需调用一次运算单元，而其他的运算单元则处于闲置状态，针对宏块解码顺序特点，尝试使用并行解码方案(如图6)。
在对任何一个宏块进行解码时，都需要用左侧以及上方的像素点作为参考值，在由16个4×4宏块构成的待解码块中，为了提高解码速度，充分调用已有的硬件资源，可以考虑使用并行解码的方案。在该宏块图中，按照图中标定的编号进行解码，并行解码要注意不能调用同样的参考像素点，完成1、2号宏块的解码后，即可对3、5号宏块同时开始解码，这对宏块的解码并不存在参考像素点使用上的冲突，在此之后按照4和6、7和9、8和10、11和13、12和14的顺序同时解码，最后再对15、16号像素点解码。
在并行解码时，需要判断并行处理的宏块是否使用同一个预测模式，预测模式的选取决定了最后是否调用同一个运算单元，如果两个宏块调用了同一运算单元，则需转入串行队列，如果采用不同预测模式，则可以进行并行处理(如图7)。

Claims (1)

1.基于H.264协议中对于帧内编码压缩技术的优化解码方法，其特征在于：H.264帧内预测编码是以16×16和4×4两种宏块为单位完成编码的，对于图像平缓的区域采用预测模式较少的16×16宏块单位编码，对于图像变化陡峭的区域要采用预测模式较多的4×4宏块单位编码，由于16×16宏块的像素点较多，对16×16宏块进行分解，将分解后得到的16个4×4宏块与其他的4×4宏块放到一起进行解码，这样每完成一个宏块解码，都只需花费16个时钟周期，在完成以上分解后，能够实现预测模式算法的首部化简，在新生成的4×4宏块下会产生10种新的预测模式，在将16×16宏块予以分解后，将其中的水平、垂直、DC模式与原4×4宏块的预测模式进行合并，平面模式单独解码，于是得到10种预测模式，对10种预测模式进行分析，在协议给定算法上化简抽象，找出共同的运算单元，最后总结出5种运算模块完成全部的解码运算；
5种抽象运算形式分别为：
Pred4×4[x，y]＝A；
Pred4×4[x，y]＝(A+3*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+2*B+C)＞＞2；
Pred4×4[x，y]＝(A+B+C)＞＞1；
Pred4×4[x，y]＝Plane运算，
Plane运算即平面模式运算；
根据解码流程设计出相应的模块单元：
控制单元：完成存储器寻址以及运算单元的顺利调用、寄存器数据的更新；
运算单元：完成像素解码的相应计算；
存储单元：保存参考像素点的数值和等待更新的参考点像素值；
解码流程：
第(1.1)步：判断是否是新的宏块解码，如果是进行第(1.2)步；
第(1.2)步：是否采用帧内预测编码，如果是则进行第(1.3)步；
第(1.3)步：读取预测参数值，判断临近宏块是否存在；
第(1.4)步：提取临近宏块预测模式及预测参考值；
第(1.5)步：计算宏块预测像素值，存储宏块预测像素值；
第(1.6)步：更新预测参考点值存储器；
如果需要解码的宏块使用不同的预测模式，则对宏块的解码进行并行处理；具体步骤如下：
第(2.1)步：判断宏块编号，组合宏块与当前宏块的预测模式是否相同，不同则进行第(2.2)步，否则进行第(2.3)步；
第(2.2)步：将两宏块进行并行处理，调用不同的运算单元；跳转到第(2.4)步；
第(2.3)步：对两宏块进行串行处理，依次对宏块进行解码；
第(2.4)步：更新块编号寄存器，接着跳回第(1.1)步继续下一次解码；
在对任何一个宏块进行解码时，都需要用左侧以及上方的像素点作为参考值，在由16个4×4宏块构成的待解码块中，为了提高解码速度，充分调用已有的硬件资源，则使用并行解码的方案，在该宏块中，按照图中标定的编号进行解码，并行解码要注意不能调用同样的参考像素点，完成1、2号宏块的解码后，即对3、5号宏块同时开始解码，这对宏块的解码并不存在参考像素点使用上的冲突，在此之后按照4和6、7和9、8和10、11和13、12和14的顺序同时解码，最后再对15、16号像素点解码；
在并行解码时，需要判断并行处理的宏块是否使用同一个预测模式，预测模式的选取决定了最后是否调用同一个运算单元，如果两个宏块调用了同一运算单元，则需转入串行队列，如果采用不同预测模式，则进行并行处理。
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