CN114205614B - 一种基于hevc标准的帧内预测模式并行硬件方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法。该方法通过合理分配模式并行的方案，在硬件实现的过程中可以降低硬件复杂度，节省硬件资源，在流水线设计下，在5500个时钟周期内就能完成一个CTU的帧内预测。
Description
技术领域
本发明属于视频编码解码技术领域，涉及一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法。
背景技术
视频编码，顾名思义，就是指将视频数据在保证一定视频质量的前提下通过一定手段进行编码压缩，以减少视频的存储和收发所需要的数据量。在这个信息技术飞速发展的数字时代，视频数据呈爆发式的增长，如视频分辨率从常用的720P发展到了现在最大的8K，帧率由曾经的十几帧到现在常用的60帧乃至更高。在视频质量的高速发展下，视频编码技术也经历了很多代国际标准，其中新一代高效视频编码(high efficiency videocoding,HEVC)，具有很高的压缩率，相比于其前一代H.264，其性能提升了40％左右，然而HEVC的编码复杂度也同样有着大幅度的升高。
在HEVC编码中，一帧视频会分成若干个树形编码单元(Coding Tree Unit,CTU)，CTU的尺寸最小为16x16最大为64x64。然后在CTU中会以四叉树的方式划分成若干个编码单元(Coding Unit，CU)，CU有8x8～64x64尺寸。
帧内预测是HEVC中非常重要且复杂的部分，整个过程会占用很大的时间。帧内预测有35种预测模式，分为DC模式、Planar模式和33种角度预测模式，每一种预测模式有不同的计算公式。在预测时，每一个预测单元(Prediction Unit,PU)均需要将35个预测模式全部计算一遍，与原始像素相减得到残差，然后计算其对应的编码代价，最后选择出代价最小的一个预测模式作为该PU的最佳预测模式。
现有的HEVC帧内预测技术的目的都是提高帧内预测的速度，而提高帧内预测的速度，一个是增加计算的并行度，一个就是发明一种估计算法来减少帧内预测的运算量来提高速度。而当前绝大多数都是以减少运算量来提高速度，即舍弃一些预测模式的计算，这样虽然能够提高速度，但是精度又有很大的降低。
现有的技术方案《一种快速HEVC帧内预测模式选择方法》中，在帧内预测过程中，利用视频纹理方向与预测模式角度的相关性，以及粗选过程中的基于哈达玛变换的代价的统计特性，在不同尺寸的情况下，设定对应不同的阈值，同时又通过粗选之后的帧内预测模式的连续性来反应预测单元的纹理方向，减少粗选得到的帧内预测模式，以此减少帧内预测的计算量，提高帧内预测的速度。
可见，现有的技术方案的目的都是为了减少帧内预测在选择最佳预测模式上所花费的时间，但是若应用在硬件设计中，对于其图像纹理方向特征的计算，在硬件设计上有很大限制，即想要速度快，就要有很大的并行度，这会占用很大的硬件面积以及功耗，而想要降低面积，其速度是必然有很大的降低。对于其算法的实现，在硬件上的难度更是极大，因此这两种方案在硬件实现上需要一些改进。
本提案以提高帧内最佳预测模式选择速度的目的，提出一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方案，主要将35种帧内预测模式，根据一定规律，在最大限度降低硬件面积以及运算单元的条件下，进行合理安排，分成9路并行计算。经过分析，该方案可以在5500个时钟内完成一个64x64 CTU的帧内预测，在主频为200MHz时钟下，能够完成1080P@60FPS的全I帧实时编码。
发明内容
本发明的目的在于在帧内预测的硬件设计时，加快计算一个PU的35个预测模式的速度，通过合理分配模式并行的方案，既使得速度提高，又最大限度的减少硬件面积，因此提供一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，将35种帧内预测模式，在最大限度降低硬件面积以及运算单元的条件下，分成9路并行计算，实现在5500个时钟周期内就能完成一个CTU的帧内预测。
在本发明一实施例中，35种帧内预测模式编号分别为0～34，其中0号模式为Planar模式，1号模式为DC模式，2～34号模式为角度预测模式，35种帧内预测模式分成9组，第1组：2、18、18、34，第2组：3、17、19、38，第3组：4、16、20、32，第4组：5、15、21、31，第5组：6、14、22、30，第6组：7、13、23、29，第7组：8、12、24、28，第8组：9、11、25、27，第9组：10、26、0、1。
在本发明一实施例中，该方法提供硬件结构，包括单个PU参考像素获取电路、参考像素强滤波电路、参考像素常规滤波电路、第1组至第4组滤波选择电路、第1路预测电路、第2～7路预测电路、第8路预测电路、第9路预测电路、9路减法单元；原始像素、PU参考像素填充标志列表分别输入至单个PU参考像素获取电路，单个PU参考像素获取电路分别经参考像素强滤波电路、参考像素常规滤波电路与第1组滤波选择电路、第2组滤波选择电路、第3组滤波选择电路、第4组滤波选择电路连接，第1组滤波选择电路、第2组滤波选择电路、第3组滤波选择电路、第4组滤波选择电路分别经第1路预测电路、第2～7路预测电路、第8路预测电路、第9路预测电路与9路减法单元连接，原始像素还输入至9路减法单元，9路减法单元输出9组4*4大小的残差。
在本发明一实施例中，还包括一与9路减法单元输出连接的用于选择最佳模式的9选一最佳模式选择器。
在本发明一实施例中，由第1至9路预测电路构成的第1至9路电路分别处理第1至9组帧内预测模式，具体处理方式如下：
(1)参考像素的滤波：
第1路：除4x4 PU外，8x8PU、16x16PU、32x32PU、64x64PU均需要滤波；
第2路～第7路：除4x4和8x8 PU外，16x16PU、32x32PU、64x64PU均需要滤波；
第8路：32x32 PU需要滤波，其余PU尺寸均不需要滤波；
第9路：除4x4 PU外，其余PU尺寸的帧内预测模式0需要滤波；
(2)帧内预测模式优化：
第1组～第8组帧内预测模式全部是角度预测模式，根据帧内角度预测的计算标准
Px,y＝((32-ω)·Ref[pos+x]+ω·Ref[pos+1+x]+16)＞＞5
第1组的2号帧内预测模式和34号帧内预测模式的ω为0，18号模式的ω为32，则这一路的角度预测值可直接用参考像素进行赋值；
第2组～第8组的每一批所需要的有效参考像素数是固定的，第2组需要最大59个参考像素，第3组需要最大54个参考像素，第4组需要最大51个参考像素，第5组需要最大46个参考像素，第6组需要最大42个参考像素，第7组需要最大38个参考像素，第8组需要最大35个参考像素；
第9路的所有模式所需要的参考像素基本一致，且10号帧内预测模式和26号帧内预测模式的权值ω也为0，因此其角度预测参考像第1组；。
(3)最佳模式选择方式：
由于DC模式和Planar模式出现的概率是最大的，角度模式中，各模式按照从小到大顺序排列，出现的概率以10、26两个模式为极点，向两侧逐渐降低，因此在选择最佳模式时，同代价情况下，优先级以第9路、8路、7路、6路、5路、4路、3路、2路、1路的顺序进行设计，并且按顺序每3路输入一个三选一选择器，3个三选一选择器分别输入次三选一选择器，而后经一批最佳模式代价模块、二选一选择器得到当前块最佳模式代价，当前块最佳模式代价输出作为二选一选择器第二输入；三选一选择器及次三选一选择器选最小时，优先选择顺序最前面的数据输入，二选一选择器选最小时，优先选择二选一选择器第一输入数据输入，使得在进行角度模式选择时，尽可能的往10号和26号模式靠近，最终的最佳模式尽可能的往0号帧内预测模式和1号帧内预测模式靠近。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明相比于现有的HEVC帧内模式快速选择技术，在于提出了一个可应用于硬件设计的模式并行计算方案，该方案可帮助设计时更好的优化电路设计，减少运算单元的使用，并且在本发明方案下，通过设计对应的9选1模式选择器，能够得到更加准确的最佳模式号。
附图说明
图1为本发明的硬件架构图。
图2为本发明的9选一最佳模式选择器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，将35种帧内预测模式，在最大限度降低硬件面积以及运算单元的条件下，分成9路并行计算，实现在5500个时钟周期内就能完成一个CTU的帧内预测。
本发明目的是为了在帧内预测的硬件设计时，加快计算一个PU的35个预测模式的速度。通过合理分配模式并行的方案，既使得速度提高，又最大限度的减少硬件面积。
帧内预测的35个模式，其编号为0～34，其中0号模式为Planar模式，1号模式为DC模式，2～34号模式为角度预测模式。将这35个模式分成9组，进行9路模式并行。其模式并行分组和批次顺序方案如表1。
表1
在本发明的9路模式并行方案下，可对滤波电路进行特定处理，分成4组输出到9路预测电路中。在9路预测电路中，可直接省去第1路和第9路的角度模式预测电路的运算过程，第2路～第8路可省去很多存储有效参考像素所需要的寄存器。在模式选择中，可根据该模式并行方案设计9选1选择器的最小代价选择的优先级，使得相同代价下，得出最可能的最佳模式。
在进行预测时，以原始像素为参考像素，以4x4小块为基本计算单元，因此完成一个PU的每一个4x4小块需要4个时钟周期就能完成，一个64x64的CTU有256个4x4小块，因此完成一个CTU的一种PU尺寸需要4x256＝1024个时钟周期，PU有4x4～64x64这5种尺寸，则完成一个CTU的所有尺寸的PU计算，需要1024x5＝5120个时钟周期。而对于1080P@60FPS全I帧实时编码，一秒需要完成30600个CTU的编码，如果主频为200MHz，则平均每个CTU需要6535个时钟周期，因此该方案是可行的。
本发明一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，具体实现方式如下：
1、在本发明的模式并行方案下，可以将参考像素的滤波进行分组处理：
第1路：除4x4 PU外，其余所有PU尺寸均需要滤波。
第2路～第7路：除4x4和8x8 PU外，所有预测模式均需要滤波。
第8路：只有32x32 PU的所有模式需要滤波，其余PU尺寸均不需要滤波。
第9路：除4x4 PU外，其余PU尺寸的帧内预测模式0需要滤波。
2、在本发明的模式并行方案下，可按以下方式对各路电路进行优化。
第1路～第8路全部是角度预测模式，根据帧内角度预测的计算标准
Px,y＝((32-ω)·Ref[pos+x]+ω·Ref[pos+1+x]+16)＞＞5
第1路的2号和34号模式的ω为0，18号模式的ω为32，则这一路的角度预测值可以直接用参考像素进行赋值，完全可以省去中间的加法、乘法以及移位运算。
第2路～第8路的每一批所需要的有效参考像素数是固定的，第2路需要最大59个参考像素，第3路需要最大54个参考像素，第4路需要最大51个参考像素，第5路需要最大46个参考像素，第6路需要最大42个参考像素，第7路需要最大38个参考像素，第8路需要最大35个参考像素。
第9路的所有模式所需要的参考像素基本一致，且10号和26号模式的权值ω也为0，因此其角度预测也可以像第1路那样省去运算单元。
3、在本发明的模式并行方案下，在最佳模式选择上按以下方式取最佳。
经过统计，模式号DC和Planar出现的概率是最大的，角度模式中，各模式按照从小到大顺序排列，出现的概率以10、26两个模式为极点，向两侧逐渐降低，因此在选择最佳模式时，同代价情况下，优先级以9路、8路、7路、6路、5路、4路、3路、2路、1路的顺序进行设计，设计参见图2，三选一选择器选最小时，优先选择最上面的数据输入，二选一选择器选最小时，同样优先选择最上面的数据输入。这样设计的目的就是使得在进行角度模式选择时，尽可能的往10号和26号模式靠近，最终的最佳模式尽可能的往0和1号模式靠近。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，其特征在于，将35种帧内预测模式，在最大限度降低硬件面积以及运算单元的条件下，分成9路并行计算，实现在5500个时钟周期内就能完成一个CTU的帧内预测；35种帧内预测模式编号分别为0~34，其中0号模式为Planar模式，1号模式为DC模式，2~34号模式为角度预测模式，35种帧内预测模式分成9组，第1组：2、18、18、34，第2组：3、17、19、38，第3组：4、16、20、32，第4组：5、15、21、31，第5组：6、14、22、30，第6组：7、13、23、29，第7组：8、12、24、28，第8组：9、11、25、27，第9组：10、26、0、1；
由第1至9路预测电路构成的第1至9路电路分别处理第1至9组帧内预测模式，具体处理方式如下：
（1）参考像素的滤波：
第1路：除4x4 PU外，8x8PU、16x16PU、32x32PU、64x64PU均需要滤波；
第2路~第7路：除4x4和8x8 PU外，16x16PU、32x32PU、64x64PU均需要滤波；
第8路：32x32 PU需要滤波，其余PU尺寸均不需要滤波；
第9路：除4x4 PU外，其余PU尺寸的帧内预测模式0需要滤波；
（2）帧内预测模式优化：
第1组~第8组帧内预测模式全部是角度预测模式，根据帧内角度预测的计算标准
；
第1组的2号帧内预测模式和34号帧内预测模式的ω为0，18号模式的ω为32，则这一路的角度预测值可直接用参考像素进行赋值；
第2组~第8组的每一批所需要的有效参考像素数是固定的，第2组需要最大59个参考像素，第3组需要最大54个参考像素，第4组需要最大51个参考像素，第5组需要最大46个参考像素，第6组需要最大42个参考像素，第7组需要最大38个参考像素，第8组需要最大35个参考像素；
第9路的所有模式所需要的参考像素一致，且10号帧内预测模式和26号帧内预测模式的权值ω也为0，因此其角度预测参考像第1组；
（3）最佳模式选择方式：
由于DC模式和Planar模式出现的概率是最大的，角度模式中，各模式按照从小到大顺序排列，出现的概率以10、26两个模式为极点，向两侧逐渐降低，因此在选择最佳模式时，同代价情况下，优先级以第9路、8路、7路、6路、5路、4路、3路、2路、1路的顺序进行设计，并且按顺序每3路输入一个三选一选择器，3个三选一选择器分别输入次三选一选择器，而后经一批最佳模式代价模块、二选一选择器得到当前块最佳模式代价，当前块最佳模式代价输出作为二选一选择器第二输入；三选一选择器及次三选一选择器选最小时，优先选择顺序最前面的数据输入，二选一选择器选最小时，优先选择二选一选择器第一输入数据输入，使得在进行角度模式选择时，尽可能的往10号和26号模式靠近，最终的最佳模式尽可能的往0号帧内预测模式和1号帧内预测模式靠近。
2.根据权利要求1所述的一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，其特征在于，该方法应用于硬件结构，包括单个PU参考像素获取电路、参考像素强滤波电路、参考像素常规滤波电路、第1组至第4组滤波选择电路、第1路预测电路、第2~7路预测电路、第8路预测电路、第9路预测电路、9路减法单元；原始像素、PU参考像素填充标志列表分别输入至单个PU参考像素获取电路，单个PU参考像素获取电路分别经参考像素强滤波电路、参考像素常规滤波电路与第1组滤波选择电路、第2组滤波选择电路、第3组滤波选择电路、第4组滤波选择电路连接，第1组滤波选择电路、第2组滤波选择电路、第3组滤波选择电路、第4组滤波选择电路分别经第1路预测电路、第2~7路预测电路、第8路预测电路、第9路预测电路与9路减法单元连接，原始像素还输入至9路减法单元，9路减法单元输出9组4*4大小的残差。
3.根据权利要求2所述的一种基于HEVC标准的帧内预测模式并行硬件方法，其特征在于，还包括一与9路减法单元输出连接的用于选择最佳模式的9选一最佳模式选择器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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