CN111757109A - 一种高实时性的并行视频编解码方法、系统和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高实时性的并行视频编解码方法、系统和存储介质，包括：编码步骤，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；解码步骤，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。本发明可通过选择合适的图像块大小和编解码引擎数目，相较通用方案，本发明解码性能超过通用方案。

Description

一种高实时性的并行视频编解码方法、系统和存储介质
技术领域
本发明涉及视频编解码领域，并特别涉及一种高实时性的并行视频编解码方法、系统和存储介质。
背景技术
目前通用的视频编解码器，大多数都是对完整的图像进行处理，并且以软件实现为主，满足对实时性要求较低的应用场景。在实时性要求较高的应用场景中，主要基于硬件实现视频编解码器的设计，硬件实现主要包括基于DSP、FPGA和ASIC，但在综合速度和灵活性因素，硬件的主流实现方式为SOC(FPGA+ARM)。但是，对于实时性要求更高的应用场景，通用的基于SOC实现的视频编解码方案依然不能够满足应用，造成这种问题的主要原因是编解码处理对象尺寸过大，不利于进行并行处理，从而导致解码效率低，实时性不强。
具体来说，在以往的技术中编码器和解码器主要针对整帧图像进行处理，数据间的相关性强，不利于并行化操作。以往编、解码器的构成分别如图1和图2所示。以图1为例，输入的帧或场Fn以宏块为单位被编码器处理，ME代表运动估计Motion Estimation。首先，按帧内或帧间预测编码的方法进行处理。如果采用帧内预测编码，其预测值PRED(图中用P表示)是由当前片中前面已编码的参考图像经运动补偿(MC，Moment Compensation)后得出，其中参考图像用F′n-1表示。
预测值PRED和当前块Fn相减后，产生一个残差块Dn，经块变换T、量化Q后产生一组量化后的变换系数X，再经重排序和熵编码，与解码所需的一些边信息(如预测模式量化参数、运动矢量等)一起组成一个压缩后的码流，经NAL(Network Abstraction Layer，网络提取层)供传输和存储用。
正如上述，为了提供进一步预测用的参考图像，编码器必须有重建图像的功能。因此必须使残差图像经反量化、反变换后得到的D′n与预测值P相加，得到uF′n(未经滤波的帧)。为了去除编码解码环路中产生的噪声，为了提高参考帧的图像质量，从而提高压缩图像性能，设置了一个环路滤波器，滤波后的输出F′n即重建图像可用作参考图像。
由图2，经熵解码和重排序得到量化后的一组变换系数X，再经反量化、反变换，得到残差D′n。利用从该比特流中解码出的头信息，解码器就产生一个预测块PRED，它和编码器中的原始PRED是相同的。当该解码器产生的PRED与残差D′n相加后，就产生uF′n，再经滤波后，最后就得到滤波后的F′n，这个F′n就是最后的解码输出图像。
以往编解码处理原理框图如图3所示。存在的问题是不能充分利用解码器端的并行处理能力，对实时性要求高的应用场景，无法满足要求。
发明内容
为了解决以往解码技术不能充分利用FPGA的并行处理能力，无法满足实时图像处理要求的问题，本发明目的在于通过图像拆分处理算法，实现图像的有效划分，通过设计并例化多个编解码引擎，实现编解码的并行处理，最后，经过图像拼接算法，实现完整图像的显示。本发明首先解决的问题是如何实现图像的有效划分，其次是如何充分利用FPGA并行处理能力，最后是如何恢复完整的图像。
具体地说，本发明公开了一种高实时性的并行视频编解码方法，其中包括：
编码步骤，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；
解码步骤，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。
该高实时性的并行视频编解码方法，其中该编码步骤包括：将该参考图像和该原始图像进行拆分得到n个图像块，创建n个第一队列，分别用于存储一个图像块，当该n个第一队列均存有图像块后，该n个第一队列分别输出图像块至该编码引擎。
该高实时性的并行视频编解码方法，其中包括数据整流和信号引入机制；
该数据整流，判断是否得到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则执行该解码步骤，否则等待，直到得到该原始图像每一个图像块的码流；
该信号引入机制，判断该多个解码引擎是否已经收到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则将该原始图像作为参考图象，获取该参考图象的下一帧作为原始图像，执行该编码步骤，否则等待，直到该多个解码引擎已收到该原始图像每一个图像块的码流。
该高实时性的并行视频编解码方法，其中该编码步骤包括：根据预设的拆分数量判断是否能将该参考图像和该原始图像进行平均拆分，若是，则对该参考图像和该原始图像进行平均拆分得到该拆分数量个图像块，否则对该参考图像和该原始图像进行扩展，扩展像素的内容置零。
本发明还公开了一种高实时性的并行视频编解码系统，其中包括：
编码模块，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；
解码模块，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中该编码模块包括：将该参考图像和该原始图像进行拆分得到n个图像块，创建n个第一队列，分别用于存储一个图像块，当该n个第一队列均存有图像块后，该n个第一队列分别输出图像块至该编码引擎。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中包括数据整流和信号引入机制；
该数据整流，判断是否得到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则执行该解码模块，否则等待，直到得到该原始图像每一个图像块的码流；
该信号引入机制，判断该多个解码引擎是否已经收到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则将该原始图像作为参考图象，获取该参考图象的下一帧作为原始图像，执行该编码模块，否则等待，直到该多个解码引擎已收到该原始图像每一个图像块的码流。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中该编码模块包括：根据预设的拆分数量判断是否能将该参考图像和该原始图像进行平均拆分，若是，则对该参考图像和该原始图像进行平均拆分得到该拆分数量个图像块，否则对该参考图像和该原始图像进行扩展，扩展像素的内容置零。
本发明还公开了一种视频编解码器，包括该高实时性的并行视频编解码系统。
本发明还公开了一种存储介质，用于存储执行该高实时性的并行视频编解码方法的程序。
本发明技术效果在于能够充分的发挥FPGA的并行处理能力，根据不同应用需求，可通过选择合适的图像块大小和编解码引擎数目，平衡FPGA资源与速度的关系，适合商业化的产品应用。相较通用方案，本发明解码性能接近通用方案的N倍(N为解码引擎的数目)。该方案在对图像实时性要求严格的应用场景中有非常广阔的前景。
附图说明
图1为以往H.264通用编码器结构；
图2为以往H.264通用解码器结构；
图3为以往H.264通用编解码处理原理框图；
图4为本发明改进后的编解码处理原理框图；
图5为图像拆分示意图；
图6为本发明改进的H.264编码引擎结构；
图7为本发明改进的H.264解码引擎结构；
图8为图像拼接示意图。
符号说明：
T：Transform变换；
Q：Quantification量化；
X：量化后的变换系数；
T-1：反变换；
Q-1：反量化；
W：图像的宽度，单位为像素；
H：图像的高度，单位为像素。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。
本发明提供的基于FPGA的高效视频图像编解码实现方案，围绕并行处理机制，将一幅图像拆分为多个规整的利于FPGA并行处理的图像块(IB，Image Block)。在编码端，多个编码引擎独立对图像块进行编码。在解码端，多个解码引擎并行对已编码图像块进行解码。解码后的图像块通过图像拼接操作，最终实现整幅图像的还原。
本发明的核心发明点之一是实现基于FPGA的并行编解码处理。使用图像拆分算法对完整图像进行有效的拆分，启动多个编解码引擎并行处理拆分后的图像数据，明显提高数据处理能力，最终通过图像拼接技术，实现完整图像的显示，满足实时图像处理的应用要求。
本发明需要克服的难点在于，分割后的图像在接受端可能乱序到达，需要按正确顺序合并。例如，两个图像i1,i2各分为四个部分，即a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2。接受端得到的数据顺序可能是a1,b2,c1,d2…。为此本发明引入队列进行数据整流和信号引入机制，一方面通知图像显示模块从队列中及时取走已经整齐的数，另一方面通知网络端向队列中空闲位置输入新的数据。队列可以是一个或多个，分别对应完整图像中的某个不重叠区域。例如，假设图像大小为512*512，有4个队列a,b,c,d分别缓存对应图像中从上到下的四分之一个子区域(即512*128)。队列的输出需要严格按顺序进行，即a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,a3…。在某一时刻，a1和a2在队列a，但是b1尚未进入队列b，那么在a输出a1后，b需要等待b1的到达。
本发明的编解码处理流程框图如图4所示。
首先，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号。原始图像和参考图像进行数据拆分处理，将完整的图像拆分成多个图像块(图5)，使得各图像块利于并行处理，为保证图像块间的位置关系正确，需要对图像块进行编号。根据应用场景需求，可以对图像进行适当的填充(如图像的宽度不是16的偶数倍时)，将一行的像素数填充为16的整数倍：例如，假设原始图像大小为512*511个像素，就将其扩展为512*512，即在每一行的尾部扩展(16-511％16)＝1个像素。扩展像素的内容置零；
其次，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号。拆分后的图像块由多个编码引擎(图6)进行编码处理，编码引擎主要基于通用的编码器结构对图像块进行编码处理，在编码后的码流中加入图像块的编号，最终通过NAL进行传输；
再次，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像。NAL码流到达解码端后，多个解码引擎(图7)并行对已编码的图像块进行处理，解码引擎主要基于通用的解码器结构实现对图像块的解码，同时进行滤波操作；
最后，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。图像拼接(图8)模块依据图像块的编号对解码后的图像块进行拼接，实现整幅图像的重建。至此，完整图像的并行编解码流程结束。
3、简述本发明的效果
根据本发明的高速实时图像编解码技术的一实施例，使用xilinx ZynqUltraScale+MPSoCs芯片xczu4cg_sfvc784_1_e实现4引擎解码器设计，将尺寸为2880x1660像素的测试图像拆分成180个图像块(IB)。对测试图像进行实际测试，采用新方案，解码测试图像所用的时间为2.55毫秒；若采用通用的方式，解码测试图像所用的时间为11毫秒；经过大量的对比测试表明，改进后的解码效率有了大幅度的提高，大大的缩短了处理时间，更能适合实时应用的场景。
根据在VR场景的应用，优先实施例1为：将图像尺寸为2880x1440像素图像，拆分成180个图像块，使用四个编解码引擎进行并行处理；根据该实施例，能够满足3k视频图像在VR实时系统中的应用，系统画面流畅，画质清晰。
优先实施例2为：将图像尺寸为2160x1200像素的图像，拆分成150个图像块，使用四个编解码引擎进行并行处理；根据该实施例，能够满足2k视频图像在VR实时系统中的应用，系统画面流畅，画质清晰。
以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。
本发明还公开了一种高实时性的并行视频编解码系统，其中包括：
编码模块，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；
解码模块，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中该编码模块包括：将该参考图像和该原始图像进行拆分得到n个图像块，创建n个第一队列，分别用于存储一个图像块，当该n个第一队列均存有图像块后，该n个第一队列分别输出图像块至该编码引擎。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中包括数据整流和信号引入机制；
该数据整流，判断是否得到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则执行该解码模块，否则等待，直到得到该原始图像每一个图像块的码流；
该信号引入机制，判断该多个解码引擎是否已经收到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则将该原始图像作为参考图象，获取该参考图象的下一帧作为原始图像，执行该编码模块，否则等待，直到该多个解码引擎已收到该原始图像每一个图像块的码流。
该高实时性的并行视频编解码系统，其中该编码模块包括：根据预设的拆分数量判断是否能将该参考图像和该原始图像进行平均拆分，若是，则对该参考图像和该原始图像进行平均拆分得到该拆分数量个图像块，否则对该参考图像和该原始图像进行扩展，扩展像素的内容置零。
本发明还公开了一种视频编解码器，包括该高实时性的并行视频编解码系统。
本发明还公开了一种存储介质，用于存储执行该高实时性的并行视频编解码方法的程序。

Claims (10)

1.一种高实时性的并行视频编解码方法，其特征在于，包括：
编码步骤，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；
解码步骤，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。
2.如权利要求1所述的高实时性的并行视频编解码方法，其特征在于，该编码步骤包括：将该参考图像和该原始图像进行拆分得到n个图像块，创建n个第一队列，分别用于存储一个图像块，当该n个第一队列均存有图像块后，该n个第一队列分别输出图像块至该编码引擎。
3.如权利要求2所述的高实时性的并行视频编解码方法，其特征在于，包括数据整流和信号引入机制；
该数据整流，判断是否得到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则执行该解码步骤，否则等待，直到得到该原始图像每一个图像块的码流；
该信号引入机制，判断该多个解码引擎是否已经收到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则将该原始图像作为参考图象，获取该参考图象的下一帧作为原始图像，执行该编码步骤，否则等待，直到该多个解码引擎已收到该原始图像每一个图像块的码流。
4.如权利要求1或2或3所述的高实时性的并行视频编解码方法，其特征在于，该编码步骤包括：根据预设的拆分数量判断是否能将该参考图像和该原始图像进行平均拆分，若是，则对该参考图像和该原始图像进行平均拆分得到该拆分数量个图像块，否则对该参考图像和该原始图像进行扩展，扩展像素的内容置零。
5.一种高实时性的并行视频编解码系统，其特征在于，包括：
编码模块，获取参考图像和待编码的原始图像，对该参考图像和该原始图像进行拆分得到多个图像块，并根据拆分顺序为每个图像块分配序号，每个编码引擎编码一个图像块，以得到该原始图像每一个图像块的码流，该码流中包括其对应图象块的序号；
解码模块，使用多个解码引擎根据该序号并行解码该码流，同时进行滤波操作，得到多个解码图像，根据每个该解码图像对应的该序号拼接该多个解码图像，得到复原图象。
6.如权利要求5所述的高实时性的并行视频编解码系统，其特征在于，该编码模块包括：将该参考图像和该原始图像进行拆分得到n个图像块，创建n个第一队列，分别用于存储一个图像块，当该n个第一队列均存有图像块后，该n个第一队列分别输出图像块至该编码引擎。
7.如权利要求6所述的高实时性的并行视频编解码系统，其特征在于，包括数据整流和信号引入机制；
该数据整流，判断是否得到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则执行该解码模块，否则等待，直到得到该原始图像每一个图像块的码流；
该信号引入机制，判断该多个解码引擎是否已经收到该原始图像每一个图像块的码流，若是，则将该原始图像作为参考图象，获取该参考图象的下一帧作为原始图像，执行该编码模块，否则等待，直到该多个解码引擎已收到该原始图像每一个图像块的码流。
8.如权利要求5或6或7所述的高实时性的并行视频编解码系统，其特征在于，该编码模块包括：根据预设的拆分数量判断是否能将该参考图像和该原始图像进行平均拆分，若是，则对该参考图像和该原始图像进行平均拆分得到该拆分数量个图像块，否则对该参考图像和该原始图像进行扩展，扩展像素的内容置零。
9.一种视频编解码器，包括权利要求5至8中任意一种所述的高实时性的并行视频编解码系统。
10.一种存储介质，用于存储执行权利要求1至4中任意一种所述高实时性的并行视频编解码方法的程序。
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