AVS逆掃描 反量化和反變換模塊的硬件設(shè)計(jì)

秦 盼，王祖強(qiáng)，宋 健

（山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250100）

AVS標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，其編碼效率比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2高2～3倍，與MPEG-4/H.264相當(dāng)，但算法復(fù)雜度及存儲(chǔ)要求比H.264明顯低，更便于硬件的實(shí)現(xiàn)。

逆掃描、反量化與反變換模塊在AVS視頻解碼過(guò)程中占有很重要的位置，其算法與架構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣對(duì)AVS解碼器的性能有很大的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這3個(gè)模塊進(jìn)行了研究。本文為了提高AVS解碼器的處理速度，綜合了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的設(shè)計(jì)思想提出了一種逆掃描、反量化與反變換模塊結(jié)構(gòu)，在消耗邏輯資源允許的情況下提高了處理速度，做到速度和面積的平衡。

本文將逆掃描、反量化和反變換模塊結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)了塊內(nèi)部?jī)?yōu)化的同時(shí)采用了乒乓緩存寄存器組來(lái)實(shí)現(xiàn)塊之間流水線，提高了速度；采用寄存器組復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆塊掃描中寄存器組與反變換中的轉(zhuǎn)置寄存器組的復(fù)用，節(jié)省了寄存器資源。

1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)AVS解碼標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了一種高效簡(jiǎn)潔的逆掃描、反量化與反變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由四部分組成。反量化模塊完成量化系數(shù)向變換系數(shù)的轉(zhuǎn)變；逆掃描與寄存器組選擇模塊根據(jù)逆掃描表完成變換系數(shù)的存儲(chǔ)；寄存器組用來(lái)存儲(chǔ)變換系數(shù)及反變換中的轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)；反變換模塊將變換系數(shù)轉(zhuǎn)換成殘差樣值，為后續(xù)的重構(gòu)做好準(zhǔn)備。硬件結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

其中輸入為VLD模塊解析出的(run,level)對(duì)、塊結(jié)束標(biāo)志及一些模式判別的信息。反量化模塊對(duì)Level數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，逆掃描與寄存器組選擇模塊采用依據(jù)輪流使用的規(guī)則產(chǎn)生寄存器組選擇信號(hào)，同時(shí)對(duì)Run進(jìn)行累加，并根據(jù)累加結(jié)果查表得到需要存儲(chǔ)的寄存器，等所有量化后的Level值存儲(chǔ)完畢后，由It_start信號(hào)連續(xù)讀取8次寄存器進(jìn)入反變換模塊，反變換模塊采用內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)22個(gè)時(shí)鐘周期處理完一個(gè)塊。反變換模塊中的轉(zhuǎn)置寄存器復(fù)用了前端的寄存器組。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)通過(guò)乒乓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了塊與塊之間的流水。圖2是本設(shè)計(jì)的總體時(shí)序安排，圖中考慮到變換編碼后一個(gè)塊內(nèi)的有效系數(shù)一般小于25。其中以一個(gè)塊數(shù)據(jù)輸入反量化模塊作為起始時(shí)刻，當(dāng)反變化模塊讀取一個(gè)寄存器組并將其作為轉(zhuǎn)置寄存器使用時(shí)，另一個(gè)寄存器組用于存儲(chǔ)下一個(gè)塊的反量化結(jié)果。如圖2，寄存器組1用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前塊反量化后的變換系數(shù)值，而寄存器2被用于上一個(gè)塊的反變換中。另外，讀取轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)對(duì)移位最初的寄存器賦零對(duì)寄存器2清零，從而用于下一個(gè)塊的變換系數(shù)的存儲(chǔ)。

圖2 設(shè)計(jì)時(shí)序安排

1.1 逆掃描與寄存器組選擇模塊

該模塊先對(duì)Run值進(jìn)行累加，并根據(jù)掃描方式查表，得到當(dāng)前Level值所對(duì)應(yīng)的寄存器號(hào)，控制將反量化后的變換系數(shù)存入相應(yīng)寄存器中，重復(fù)以上工作直到讀到塊結(jié)束標(biāo)志。當(dāng)前塊不為零的所有變換系數(shù)均根據(jù)逆掃描表存儲(chǔ)在相應(yīng)的位置，因?yàn)槊看螐募拇嫫髦凶x取轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)對(duì)寄存器清零，為下次使用做好準(zhǔn)備，所以對(duì)于變換系數(shù)為零的情況就不用單獨(dú)存儲(chǔ)，從而提高了設(shè)計(jì)的處理速度。

1.2 反變換模塊

反變換模塊是將當(dāng)前塊的變換系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為殘差樣值矩陣的一個(gè)過(guò)程，為了節(jié)約硬件成本，此設(shè)計(jì)采用一維變換和轉(zhuǎn)置矩陣實(shí)現(xiàn)二維變換，參考文獻(xiàn)[2]中提出了一種快速有效的方法，本文對(duì)其方法進(jìn)行了優(yōu)化，節(jié)約了不必要的硬件資源和時(shí)鐘。

下面主要介紹一維變換過(guò)程。

設(shè)AVS的一維反變換的輸入輸出變量分別為：

X=[X0，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7]T

Y=[Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7]T

根據(jù)Y=T8×X，把 8個(gè)輸出元素展開(kāi)成以下組合，其中 T8為 8×8的反變換矩陣。

M0=8X0+8X4；M1=8X0-8X4

M2=4X1+4X5；M3=9X1-10X5

M4=6X1+2X5；M5=2X1+9X5

M6=10X2+4X6；M7=4X2-10X6

M8=9X3+2X7；M9=2X3+6X7

M10=10X3-9X7；M11=4X3+4X7

其中所有的乘法均可化為移位操作，再定義8個(gè)中間變量 N0～N7：

N0=M0+M6；N1=M2+M8+M4

N2=M1+M7；N3=M3-M9

N4=M1-M7；N5=M4-M10

N6=M0-M6；N7=M5-M11-M9

重新整理后得到的輸出：

Y0=N0+N1；Y1=N2+N3；Y2=N4+N5；Y3=N6+N7

Y4=N6-N7；Y5=N4-N5；Y6=N2-N3；Y7=N0-N1

由以上算法可以看出，一維反變換模塊只需要移位和加法操作，既方便硬件實(shí)現(xiàn)還節(jié)省了硬件資源。經(jīng)計(jì)算此一維反變化模塊共需要40個(gè)加法器。

反變換模塊的時(shí)序見(jiàn)圖2，第1時(shí)鐘周期進(jìn)行并行讀取數(shù)據(jù)，2個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一維反變換，第4個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始向轉(zhuǎn)置矩陣中存入一維反變換后的數(shù)據(jù)，第12周期開(kāi)始讀取轉(zhuǎn)置矩陣中的數(shù)據(jù)，第15個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，第22個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)果輸出完畢。

1.3 寄存器組復(fù)用

在逆塊掃描順序中，一些后續(xù)的系數(shù)可能需要在一開(kāi)始時(shí)就準(zhǔn)備好，而一些在前面次序的系數(shù)則可能在后續(xù)的時(shí)間使用，所以只有一個(gè)塊的所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)完成后，才能進(jìn)行后續(xù)的反變換，故至少要對(duì)一個(gè)塊的變換系數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。為了提高處理速度，后續(xù)的反變換模塊中將采用并行流水線輸入，因此存儲(chǔ)模塊此時(shí)不能采用有時(shí)序限制的RAM，本文采用了寄存器組實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了消除塊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備延時(shí)，還采用了乒乓結(jié)構(gòu)，即在設(shè)計(jì)中用了兩個(gè)寄存器組，這樣就可在處理當(dāng)前一個(gè)塊系數(shù)的同時(shí)，用另一個(gè)寄存器組來(lái)存儲(chǔ)下一個(gè)塊反量化后的數(shù)據(jù)。

在反變換中也需要用到轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)。為了節(jié)省資源，本設(shè)計(jì)采用了寄存器復(fù)用技術(shù)，即反變換中用到的轉(zhuǎn)置矩陣與逆掃描后用于存儲(chǔ)變換系數(shù)的矩陣復(fù)用，具體復(fù)用方法如圖3所示。

以上為一個(gè)寄存器組，包含64個(gè)13 bit的寄存器。最后一列為反變換模塊輸入，即當(dāng)一個(gè)塊變換系數(shù)根據(jù)逆掃描順序存儲(chǔ)完后，連續(xù)8個(gè)時(shí)鐘周期讀取寄存器組最后一列，在每個(gè)時(shí)鐘周期向反變換模塊并行輸入8個(gè)13 bit的數(shù)據(jù)。第一列為轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)輸入端?？紤]到反變換流水線及復(fù)用的問(wèn)題，在連續(xù)2個(gè)時(shí)鐘周期讀取寄存器組最后一列輸入到反變換模塊后，轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)開(kāi)始從第一列輸入，這樣可以滿足反變換內(nèi)部的流水線問(wèn)題，也可以達(dá)到寄存器復(fù)用的目的。第一行為轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)的輸出，最后一行在轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)輸出時(shí)賦值為零，這樣可以使轉(zhuǎn)置輸出和寄存器賦零同時(shí)進(jìn)行，從而可以減少不必要的時(shí)鐘周期和資源。

圖3 寄存器組復(fù)用圖

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述思想，采用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)算法進(jìn)行了RTL級(jí)電路描述，并采用Altera公司的軟件Quartus II 8.0對(duì)此算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和仿真驗(yàn)證，并將仿真結(jié)果與rm52j軟件的輸出結(jié)果進(jìn)行了比較。Quartus II仿真結(jié)果如圖4所示，波形圖給出了一個(gè)塊的反量化和反變換輸出結(jié)果。rm52j的輸出結(jié)果如圖5所示，比較可見(jiàn)輸出結(jié)果相同。

圖4 硬件仿真結(jié)果

圖5 軟件仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用的是自頂向下和自下而上的混合設(shè)計(jì)方法，逆掃描、反量化和反變換過(guò)程是AVS系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，局部的測(cè)試很難判斷出該模塊是否可以應(yīng)用到整個(gè)解碼系統(tǒng)中去，所以此模塊亦在自己搭建的基于SoPC的AVS驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。加入此模塊前，軟件處理一幀碼流時(shí)間與用此硬件模塊代替軟件模塊后的解碼時(shí)間如圖6所示，通過(guò)計(jì)算可知解碼速度提高約15%。

圖6 純軟件解碼與加入硬件模塊后的解碼

變換編碼后一個(gè)塊內(nèi)的有效系數(shù)一般小于25，所以逆掃描、反量化的時(shí)鐘一般小于25個(gè)時(shí)鐘周期，而反變換的時(shí)鐘周期為22個(gè)，所以處理一個(gè)塊的時(shí)鐘周期大約為25個(gè)，大大提高了速度。由于寄存器的復(fù)用及設(shè)計(jì)的優(yōu)化，節(jié)省了硬件資源，本設(shè)計(jì)采用的FPGA為EP2C35F672C6，資源使用情況如圖7所示，可見(jiàn)使用的總的LE為3 059個(gè)。

本文對(duì)AVS逆掃描、反量化和反變換算法進(jìn)行了研究，并對(duì)目前其他學(xué)者在這方面取得的成果進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)際考慮了AVS解碼器整體設(shè)計(jì)的可行性，提出了一種速度更快、資源占用更少的方法。本設(shè)計(jì)為了解決RAM讀寫時(shí)序限制的影響，采用了兩組寄存器陣列代替RAM實(shí)現(xiàn)乒乓操作，同時(shí)為了減少硬件資源，采用寄存器組復(fù)用技術(shù)，即反變換中的轉(zhuǎn)置矩陣與逆掃描后存儲(chǔ)寄存器組復(fù)用。最后給出了波形仿真結(jié)果，并與rm52j的輸出結(jié)果比較，驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。通過(guò)在基于Nios II的SoPC系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，證明該設(shè)計(jì)能夠正確快速實(shí)現(xiàn)逆掃描、反量化及反變換功能。

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