CN110365977B - 一种基于fpga的h.265变换量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的H265变换量化方法，属于数字视频技术领域，包括在FPGA中建立帧内预测通用角度模块，帧内预测通用角度模块设有数据输入接口和数据输出接口，数据输入接口包括边界信息输入接口border、角度模式选择接口pred_mode、边缘滤波选择接口boundary_filter和输入有效判断接口valid_in；数据输出接口包括预测结果输出接口predSample和输出有效判断接口valid_out，解决了在视频编码计算时，ref的下标会出现负数并影响计算速度的技术问题，本发明简化的边缘选取方式，内部配置且解决了负数下标的问题；本发明对iFact和iIdx的计算简化为rom的读取，简化了计算。

Description

一种基于FPGA的H.265变换量化方法
技术领域
本发明属于数字视频技术领域，特别涉及一种基于FPGA的H.265变换量化方法。
背景技术
进入数字时代之后，数字视频紧随着IT技术的浪潮，获得了非常迅速的发展。追求更高的清晰度，是数字视频技术领域从未停止的步伐。如今，各式各样的视频应用已经渗透到人类社会的各个领域，可以说，视频应用是现代人类社会运转的重要组成部分。
变换编码是视频编码中的核心技术之一。图像变换编码是指将以空间域中像素形式描述的图像转换至变换域，以变换系数的形式加以表示。绝大多数图像中都含有较多平坦区域和内容变化缓慢区域，而通过适当的变换编码，能够使图像能量在变换域相对集中分布。无论是帧内预测还是帧间预测，都需要通过变换编码进行后续处理。图1是8×8像素块的DCT基图像。从图1中可以看出大部分能量都集中在左上角，右下角则是高频分量区域。
在视频编码中，残差信号经过DCT变换编码后，对变换系数进行量化可以有效的减少信号取值空间，获得更好的压缩效果。图2给出了标量量化器示意图。
在H.265的参考文档——“Recommendation ITU-T H.265”中，可将变换量化部分归纳为以下四步：
正变换、量化、反变换和反量化。
在具体的FPGA实现时，完全按文档的实现方式的话，ref的下标会出现负数的情况且iFact和iIdx计算不方便，文中也没有实现流水线的方案，预测时延大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的H.265变换量化方法，解决了在视频编码计算时，ref的下标会出现负数并影响计算速度的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
步骤1：在FPGA中建立帧内预测通用角度模块，帧内预测通用角度模块设有数据输入接口和数据输出接口，数据输入接口包括边界信息输入接口border、角度模式选择接口pred_mode、边缘滤波选择接口boundary_filter和输入有效判断接口valid_in；数据输出接口包括预测结果输出接口predSample和输出有效判断接口valid_out；
在帧内预测通用角度模块中设置存储器ref_ram；在帧内预测通用角度模块中设立参考文档；
步骤2：通过角度模式选择接口pred_mode向帧内预测通用角度模块输入角度模式的数值，角度模式的数值的取值为2～34；
通过边界信息输入接口border向帧内预测通用角度模块输入预测所用的边界信息；
通过边缘滤波选择接口boundary_filter向帧内预测通用角度模块输入是否需要边缘滤波：如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为0，则表示不需要边缘滤波；如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为1，则表示需要边缘滤波；
步骤3：帧内预测通用角度模块存储预测所用的边界信息并建立原始数据表；
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，查找原始数据表中的预测所用的边界信息在参考文档中对应的参数ref，并存储在存储器ref_ram中；
如果参数ref出现负数下标，则将原有的目标像素的下标减去N看作起始的零点；
步骤4：帧内预测通用角度模块获取iIdx数据，并将iIdx数据存储在iIdx_rom中；
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，选取iIdx数据在参考文档中相应的shift参数：当shift参数出现负数下标时，shift＝iIdx+8，否则shift＝iIdx；
步骤5：帧内预测通用角度模块进行参数计算：包括ref＝ref_ram<<shift，即，将从ref_ram中读取的直接参数向左位移shift位，等效于除以2的shift次方，设定参数iFact1，iFact1的值为iFact参数取反加一；
将参数ref、参数iFact1和iFact参数均送入通用计算模块中进行计算，生成通用计算模块的计算结果；
步骤6：根据边缘滤波选择接口boundary_filter的输入判断是否将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波：输入为0，则将通用计算模块的计算结果作为最终结果；输入为1，则将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波后的结果作为最终结果；
步骤7：帧内预测通用角度模块通过预测结果输出接口predSample输出最终结果。
优选的，在执行步骤5时，通用计算模块进行的计算入下公式：
y＝b>0？(a*x1+b*x2+16)>>5:x1；其中，y代表预测结果；b代表预定参数1；a代表预定参数2；x1代表像素横坐标；x2代表像素纵坐标。
所述参考文档为H.265的参考文档Recommendation ITU-T H.265。
本发明所述的一种基于FPGA的H.265变换量化方法，解决了在视频编码计算时，ref的下标会出现负数并影响计算速度的技术问题，本发明简化的边缘选取方式，内部配置且解决了负数下标的问题；本发明对iFact和iIdx的计算简化为rom的读取，采用预先结果存储的方式，将每次计算的过程简化为在rom中读取相应数据的过程；本发明全流水线的设计结构，针对16x16的预测块，可实现16时钟周期处理一个块，本发明采用一个帧内预测通用角度模块解决了所有的角度预测问题，且兼顾了边缘滤波的需求。
附图说明
图1是8×8像素块的DCT基图像；
图2是标量量化器示意图；
图3是本发明的模块的输入输出框图；
图4是本发明的数据流程图。
具体实施方式
如图1-图4所示的一种基于FPGA的H.265变换量化方法，包括以下步骤：
步骤1：在FPGA中建立帧内预测通用角度模块，帧内预测通用角度模块设有数据输入接口和数据输出接口，数据输入接口包括边界信息输入接口border、角度模式选择接口pred_mode、边缘滤波选择接口boundary_filter和输入有效判断接口valid_in；数据输出接口包括预测结果输出接口predSample和输出有效判断接口valid_out；
在帧内预测通用角度模块中设置存储器ref_ram；在帧内预测通用角度模块中设立参考文档；
步骤2：通过角度模式选择接口pred_mode向帧内预测通用角度模块输入角度模式的数值，角度模式的数值的取值为2～34；
通过边界信息输入接口border向帧内预测通用角度模块输入预测所用的边界信息；
通过边缘滤波选择接口boundary_filter向帧内预测通用角度模块输入是否需要边缘滤波：如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为0，则表示不需要边缘滤波；如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为1，则表示需要边缘滤波；
步骤3：帧内预测通用角度模块存储预测所用的边界信息并建立原始数据表；
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，查找原始数据表中的预测所用的边界信息在参考文档中对应的参数ref，并存储在存储器ref_ram中；
如果参数ref出现负数下标，则将原有的目标像素的下标减去N看作起始的零点；
步骤4：帧内预测通用角度模块获取iIdx数据，并将iIdx数据存储在iIdx_rom中；ildx数据是指真实像素数据(亮度，色度)和预测数据之间的差值。
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，选取iIdx数据在参考文档中相应的shift参数：当shift参数出现负数下标时，shift＝iIdx+8，否则shift＝iIdx；
步骤5：帧内预测通用角度模块进行参数计算：包括ref＝ref_ram<<shift，即，将从ref_ram中读取的直接参数向左位移shift位，等效于除以2的shift次方，设定参数iFact1，iFact1的值为iFact参数取反加一；
将参数ref、参数iFact1和iFact参数均送入通用计算模块中进行计算，生成通用计算模块的计算结果；
步骤6：根据边缘滤波选择接口boundary_filter的输入判断是否将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波：输入为0，则将通用计算模块的计算结果作为最终结果；输入为1，则将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波后的结果作为最终结果；
步骤7：帧内预测通用角度模块通过预测结果输出接口predSample输出最终结果。
优选的，在执行步骤5时，通用计算模块进行的计算入下公式：
y＝b>0？(a*x1+b*x2+16)>>5:x1；其中，y代表预测结果；b代表预定参数1；a代表预定参数2；x1代表像素横坐标；x2代表像素纵坐标。
所述参考文档为H.265的参考文档Recommendation ITU-T H.265。
本发明所述的一种基于FPGA的H.265变换量化方法，解决了在视频编码计算时，ref的下标会出现负数并影响计算速度的技术问题，本发明简化的边缘选取方式，内部配置且解决了负数下标的问题；本发明对iFact和iIdx的计算简化为rom的读取，采用预先结果存储的方式，将每次计算的过程简化为在rom中读取相应数据的过程；本发明全流水线的设计结构，针对16x16的预测块，可实现16时钟周期处理一个块，本发明采用一个帧内预测通用角度模块解决了所有的角度预测问题，且兼顾了边缘滤波的需求。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的H.265变换量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在FPGA中建立帧内预测通用角度模块，帧内预测通用角度模块设有数据输入接口和数据输出接口，数据输入接口包括边界信息输入接口border、角度模式选择接口pred_mode、边缘滤波选择接口boundary_filter和输入有效判断接口valid_in；数据输出接口包括预测结果输出接口predSample和输出有效判断接口valid_out；
在帧内预测通用角度模块中设置存储器ref_ram；在帧内预测通用角度模块中设立参考文档；
步骤2：通过角度模式选择接口pred_mode向帧内预测通用角度模块输入角度模式的数值，角度模式的数值的取值为2～34；
通过边界信息输入接口border向帧内预测通用角度模块输入预测所用的边界信息；
通过边缘滤波选择接口boundary_filter向帧内预测通用角度模块输入是否需要边缘滤波：如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为0，则表示不需要边缘滤波；如果通过边缘滤波选择接口boundary_filter输入为1，则表示需要边缘滤波；
步骤3：帧内预测通用角度模块存储预测所用的边界信息并建立原始数据表；
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，查找原始数据表中的预测所用的边界信息在参考文档中对应的参数ref，并存储在存储器ref_ram中；
如果参数ref出现负数下标，则将原有的目标像素的下标减去N看作起始的零点；
步骤4：帧内预测通用角度模块获取iIdx数据，并将iIdx数据存储在iIdx_rom中；
帧内预测通用角度模块根据角度模式的数值，选取iIdx数据在参考文档中相应的shift参数：当shift参数出现负数下标时，shift＝iIdx+8，否则shift＝iIdx；
步骤5：帧内预测通用角度模块进行参数计算：包括ref＝ref_ram<<shift，即，将从ref_ram中读取的直接参数向左位移shift位，等效于除以2的shift次方，设定参数iFact1，iFact1的值为iFact参数取反加一；
将参数ref、参数iFact1和iFact参数均送入通用计算模块中进行计算，生成通用计算模块的计算结果；
步骤6：根据边缘滤波选择接口boundary_filter的输入判断是否将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波：输入为0，则将通用计算模块的计算结果作为最终结果；输入为1，则将通用计算模块的计算结果进行边缘滤波后的结果作为最终结果；
步骤7：帧内预测通用角度模块通过预测结果输出接口predSample输出最终结果。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的H.265变换量化方法，其特征在于：在执行步骤5时，通用计算模块进行的计算入下公式：
y＝b>0？(a*x1+b*x2+16)>>5:x1；其中，y代表预测结果；b代表预定参数1；a代表预定参数2；x1代表像素横坐标；x2代表像素纵坐标。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的H.265变换量化方法，其特征在于：所述参考文档为H.265的参考文档RecommendationITU-TH.265。
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