CN1852434A - Avs/h.264色度插值的硬件实现方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字视频编解码技术领域的AVS/H.264色度插值的硬件实现方法及其装置。其硬件由基本运算单元和数据流控制单元组成。其中，基本运算单元完成由式P＝(8－k)×M+k×N所表示的工作；数据流控制单元通过对基本运算单元进行反复调用完成由式R＝(8－dy)×((8－dx)×A+dx×B)+dy×((8－dx)×C+dx×D)所表示的工作，然后将R舍入为8比特输出数据，完成整个插值过程。本发明提供的硬件实现方法和装置，利用乘法之间的相关性，使用简单的数据选择和加法操作实现了复杂的乘加运算，从而有效地节省了资源。

Description

AVS/H.264色度插值的硬件实现方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种数字视频编解码技术领域的方法及其装置，具体是一种AVS/H.264色度插值的硬件实现方法及其装置。

背景技术

AVS(数字音视频编解码技术标准)是由AVS工作组制定的一种多媒体信源编码标准。该技术标准的视频部分于2006年2月22日被颁布为中华人民共和国国家标准，标准号GB/T 20090.2-2006，于2006年3月1日起实施。H.264是由国际电信联盟(ITU)和国际标准化组织(ISO)于2003年5月共同发布的新一代视频压缩编解码标准。它目前已经得到了业界的广泛支持，不仅出现在了不同的行业应用中，而且也涉及各个国家、各个组织。AVS和H.264具有相似的技术特点，两者均采用了分数精度的运动矢量进行运动估计和运动补偿。运动估计和运动补偿旨在消除视频数据帧与帧之间的时间冗余，从而达到视频数据压缩的目的。由于在实际情况下，画面运动的距离可以具有无限精度，整数精度的运动矢量已无法满足日益增长的对视频质量的要求，因此，有必要采用分数精度的运动矢量来提高图像质量。在AVS和H.264中，亮度信息的运动矢量具有1/4像素的精度；相应地，色度信息运动矢量的精度达到1/8像素。对于色度信息，两种标准规定的分数样本生成方法也是相同的，即通过对相邻整数样本做双线性插值来得到分数样本值。分数样本插值在提高图像质量的同时，也大大增加了计算的复杂度。如果直接使用标准给出的公式进行插值计算，那么每计算一个色度分数样本都需要用到8次乘法和4次加法，其代价是非常高昂的。因此有必要寻找一种比较简单的运算方法来替代复杂的乘加运算，从而达到节省资源的目的。

经对现有技术文献的检索发现，胡力等人在“H.264中1/4精度像素插值算法的一种硬件实现架构”(《电视技术》2005年第10期)中提出了一种H.264色度插值架构。在该架构中，通过对双线性插值公式进行数学变换，达到了减少乘加运算数量和计算单元复用的效果。但是，该架构采用的方法仍然包含较多的冗余成分，没有充分利用到各个乘法间的相关性，因而并不是最优化的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种AVS/H.264色度插值的硬件实现方法及其装置。本发明要解决的技术问题是，寻找一种比较简单的方法来实现AVS/H.264色度插值中复杂的乘加运算，从而达到节省资源的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种AVS/H.264色度插值的硬件实现方法，包括如下步骤：

第一步输入数据A、B、C、D、dy和dx，其中A、B、C和D为8比特无符号数，dy和dx为3比特无符号数，令变量M＝A，N＝B，k＝dx，各步骤中所用的运算符号与表达式的含义罗列如下：

P[n]：取变量P的第n个2进制位，

a？b:c：当a为1时，运算结果为b，当a为0时，运算结果为c，

A＜＜n：将A左移n个二进制位，

A＞＞n：将A右移n个二进制位；

以上未罗列的其他运算均为普通整数运算；

第二步计算T₀＝k[0]？N:M，T₁＝k[1]？N:M，T₂＝k[2]？N:M；

第三步计算P＝M+T₀+T₁＜＜1+T₂＜＜2；

第四步令变量L₁＝P；

第五步令变量M＝C，N＝D，k＝dx，重复第二步和第三步，得到新的P，并令L₂＝P；

第六步令变量M＝L₁，N＝L₂，k＝dy，重复第二步和第三步，得到新的P；

第七步令R＝(P+32)＞＞6，便完成了一个样本的色度插值，R为8比特输出数据。

在上述方案中，第二步和第三步完成了由式P＝(8-k)×M+k×N所表示的工作，利用两个乘法之间的相关性，使用简单的数据选择和加法操作实现了复杂的乘加运算。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种AVS/H.264色度插值装置，包括n个基本运算单元和1个数据流控制单元，其中：

参数n表示并行计算的色度样本个数；

基本运算单元，使用数据选择器和加法器完成了由式P＝(8-k)×M+k×N所表示的工作，其中M、N和k来自数据流控制单元，P送回数据流控制单元；

数据流控制单元，使系统在两个状态间反复切换，在第一状态中，将输入数据分别送入n个基本运算单元，使k＝dx，并取回n个中间运算结果，在第二状态中，将最近两次经历第一状态而得到的2n个中间运算结果送入n个基本运算单元，使k＝dy，并取回n个R，从而使R＝(8-dy)×((8-dx)×A+dx×B)+dy×((8-dx)×C+dx×D)，然后将n个R舍入为8比特输出数据完成了插值过程。

在上述方案中，并行计算的色度样本的个数即参数n，是可变的，从而可以调整具体实现时所使用的硬件资源的数量。

由上可知，本发明的提供的硬件实现方法和装置，利用AVS/H.264色度插值中乘法之间的相关性，使用简单的数据选择和加法操作实现了复杂的乘加运算，从而有效地节省了资源。

特别地，将本方案与胡力等人的论文中的方案进行比较，能够发现，为了实现由式P＝(8-k)×M+k×N所表示的运算，胡力等人的方案中需要使用6组11比特的二路选择器和5个加法器；而在本方案中，只使用了3组11比特的二路选择器和3个加法器，所占资源是前者的一半略多。因此，使用本方案所能节省的资源是相当可观的。

附图说明

图1是AVS/H.264色度分数样本插值的位置示意图；

图2是色度插值装置的总体结构图，以n＝2(并行计算的样本数为2)的情况为例；

图3是基本运算单元的内部结构图。

具体实现方式

在AVS和H.264种，色度分数样本插值的方法是相同的，即通过对与目标位置相邻的4个整数样本进行双线性滤波来计算目标位置的样本值。参阅图1，设未经舍入的目标位置样本值为R，其分数坐标为(dy，dx)，与之相邻的四个整数样本为A、B、C和D，那么就有如下的对应关系

R＝(8-dy)×(8-dx)×A+(8-dy)×dx×B+dy×(8-dx)×C+dy×dx×D

对该式进行数学变换后可得到

R＝(8-dy)×((8-dx)×A+dx×B)+dy×((8-dx)×C+dx×D)

如果规定一个三元函数

f(M，N，k)＝(8-k)×M+k×N

那么就有

R＝f(f(A，B，dx)，f(C，D，dx)，dy)

可见，通过反复调用函数f(M，N，k)，可以简化整个计算过程。本发明的重点在于进一步优化该函数的实现方法，使用简单的选择和加法操作实现复杂的乘加运算。由于k的范围在0到7，是一个3比特无符号数，可以将它表示为{k[2]，k[1]，k[0]}，其中k[n]表示k的第n比特，就有

$f(M,N,k)=(8-k)\×M+k\×N$

$=\tilde{k}\×M+k\×N+M$

$=\tilde{k}\left[2\right]\&times;M<<2+\tilde{k}\left[1\right]\&times;M<<1+\tilde{k}\left[0\right]\&times;M+M+$

$k\left[2\right]\&times;N<<2+k\left[1\right]\&times;N<<1+k\left[0\right]\&times;N$

$=\left(k\right[2]?N:M)<<2+\left(k\right[1]?N:M)<<1+k\left[0\right]?N:M+M$

其中运算符号与表达式含义罗列如下：

表示对p按位取反；

＜＜：表示左移；

a？b:c：表示当a为1时，结果取b，当a为0时，结果取c。

以上的推导表明，AVS/H.264色度插值中的乘法之间具有相关性；利用这种相关性，可以使用简单的选择、移位和加法操作实现整个插值过程。而确定位数的移位在硬件实现时几乎不占用资源。

参阅图2，本发明提供的一种基于AVS/H.264的色度插值算法的硬件实现，由n个基本运算单元和1个数据流控制单元组成。图2中是n＝2的情况，当n＝1或n＞2时，只需要对图2中的结构做简单的精简或扩展即可。

基本运算单元。如图3所示，基本运算单元由3组二路选择器和3个加法器构成。M和N为11比特输入数据，P为14比特输出数据。3组二路选择器根据3比特输入参数k对M和N进行选择，输出中间变量T₀＝k[0]？N:M，T₁＝k[1]？N:M，T₂＝k[2]？N:M。三个加法器将3个中间变量以及M相加后作为14比特输出P。至此完成了以下操作

f(M，N，k)＝(k[2]？N:M)＜＜2+(k[1]？N:M)＜＜1+k[0]？N:M+M

          ＝(8-k)×M+k×N

数据流控制单元。其输入信号包括：时钟信号、块输入起始信号、坐标参数(dy，dx)以及n+1个处于同一行并相邻的整数位置色度样本，其中输入样本表示为{I_n，I_n-1，...I₀}，其输出为n个插值完毕的分数位置色度样本。该单元每2个时钟周期进行一次数据输入，每个时钟周期改变一次系统的状态(共2个状态)。在第一状态中，使k＝dx，并将输入数据分别送入n个基本运算单元，其中，第m个基本运算单元的输入数据M、N分别为I_m+1和I_m(0＜m＜＝n-1)，然后取回n个中间运算结果。在第二状态中，将最近两次经历第一状态而得到的2n个中间运算结果送入n个基本运算单元，使k＝dy，并取回n个R＝P，从而使R＝(8-dy)×((8-dx)×A+dx×B)+dy×((8-dx)×C+dx×D)，然后将n个R舍入为8比特输出数据完成了插值过程。

Claims (4)

1、一种AVS/H.264色度插值的硬件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步输入数据A、B、C、D、dy和dx，其中A、B、C和D为8比特无符号数，dy和dx为3比特无符号数，令变量M＝A，N＝B，k＝dx，各步骤中所用的运算符号与表达式的含义罗列如下：

P[n]：取变量P的第n个2进制位，

a？b:c：当a为1时，结果为b，当a为0时，结果为c，

A＜＜n：将A左移n个二进制位，

A＞＞n：将A右移n个二进制位；

第二步计算T₀＝k[0]？N:M，T₁＝k[1]？N:M，T₂＝k[2]？N:M；

第三步计算P＝M+T₀+T₁＜＜1+T₂＜＜2；

第四步令变量L₁＝P；

第五步令变量M＝C，N＝D，k＝dx，重复第二步和第三步，得到新的P，并令L₂＝P；

第六步令变量M＝L₁，N＝L₂，k＝dy，重复第二步和第三步，得到新的P；

第七步令R＝(P+32)＞＞6，便完成了一个样本的色度插值，R为8比特输出数据。

2、如权利要求1所述的一种AVS/H.264色度插值的硬件实现方法，其特征是，第二步和第三步完成了由式P＝(8-k)×M+k×N所表示的工作，利用两个乘法之间的相关性，使用简单的数据选择和加法操作实现了复杂的乘加运算。

3、一种AVS/H.264色度插值装置，其特征在于，包括n个基本运算单元和1个数据流控制单元，其中：

参数n表示并行计算的色度样本个数；

基本运算单元，使用数据选择器和加法器完成了由式P＝(8-k)×M+k×N所表示的工作，其中M、N和k来自数据流控制单元，P送回数据流控制单元；

数据流控制单元，使系统在两个状态间反复切换，在第一状态中，将输入数据分别送入n个基本运算单元，使k＝dx，并取回n个中间运算结果，在第二状态中，将最近两次经历第一状态而得到的2n个中间运算结果送入n个基本运算单元，使k＝dy，并取回n个R，从而使R＝(8-dy)×((8-dx)×A+dx×B)+dy×((8-dx)×C+dx×D)，然后将n个R舍入为8比特输出数据完成了插值过程。

4、如权利要求2所述的一种AVS/H.264色度插值装置，其特征是，并行计算的色度样本的个数即参数n，是可变的，从而调整具体实现时所使用的硬件资源的数量。

Images