一種新的用于屏幕圖像編碼的HEVC幀內(nèi)模式

陳先義 趙利平② 林 濤

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一種新的用于屏幕圖像編碼的HEVC幀內(nèi)模式

陳先義*①趙利平①②林 濤①

①(同濟(jì)大學(xué)超大規(guī)模集成電路研究所 上海 200092)②(嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院 嘉興 314000)

由于傳統(tǒng)編碼方式對(duì)屏幕圖像的編碼效果不佳，該文根據(jù)屏幕圖像包含大量非連續(xù)色調(diào)內(nèi)容的特點(diǎn)，在HEVC(High Efficiency Video Coding)基礎(chǔ)上，提出一種新的幀內(nèi)編碼模式稱(chēng)為幀內(nèi)串匹配(Intra String Copy, ISC)?；舅枷胧窃贖EVC的編碼單元(Coding Unit, CU)級(jí)別上，引入字典編碼工具：編碼時(shí)，在一定長(zhǎng)度的字典窗口內(nèi)，利用散列表，對(duì)當(dāng)前CU內(nèi)的像素，進(jìn)行串搜索和匹配；解碼時(shí)，根據(jù)像素串匹配的距離和匹配長(zhǎng)度，在重建緩存內(nèi)復(fù)制相應(yīng)位置像素重建當(dāng)前CU像素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在編碼復(fù)雜度增加很少的情況下，對(duì)于典型的屏幕圖像測(cè)試序列，在全幀內(nèi)(All Intra, AI)，隨機(jī)接入(Random Access, RA)，低延遲(Low-delay B, LB)3種配置下，有損編碼模式比HEVC分別節(jié)省碼率15.1%, 12.0%, 8.3%，無(wú)損編碼模式分別節(jié)省碼率23.3%, 14.9%, 11.6%。

高效視頻編碼；屏幕圖像編碼；字典編碼；散列表

1 引言

隨著云計(jì)算、移動(dòng)云計(jì)算、遠(yuǎn)程桌面和無(wú)線顯示技術(shù)的發(fā)展，如何在低碼率下使屏幕圖像在電腦屏幕、手機(jī)屏幕、電視屏幕和其它客戶(hù)端上高質(zhì)量地顯示，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)比如H.264/AVC, VC-1, AVS, HEVC (High Efficiency Video Coding)，都是對(duì)于包含大量連續(xù)色調(diào)內(nèi)容的自然圖像和視頻有很高的壓縮比，但是對(duì)于包含大量非連續(xù)色調(diào)內(nèi)容的屏幕圖像壓縮效果并不好。為提高屏幕圖像編碼(Screen Content Coding, SCC)性能，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2014年1月開(kāi)始聯(lián)合開(kāi)發(fā)HEVC標(biāo)準(zhǔn)的SCC版本，并已經(jīng)采用了一些有利于屏幕圖像編碼的工具：比如跳過(guò)變換直接量化(Transform Skip, TS)[1]和IBC(Intra Block Copy)[2,3]。

典型的屏幕圖像包含兩類(lèi)內(nèi)容，一類(lèi)是計(jì)算機(jī)生成的非連續(xù)色調(diào)的內(nèi)容，往往包含大量的小而尖的位圖結(jié)構(gòu)如文本、菜單、圖標(biāo)、按鈕、滑動(dòng)條和網(wǎng)格，另一類(lèi)是攝像機(jī)拍攝的包含大量連續(xù)色調(diào)的內(nèi)容，例如電影/電視片段，自然圖像視頻。

傳統(tǒng)的基于角度預(yù)測(cè)的幀內(nèi)編碼模式，無(wú)法對(duì)非連續(xù)色調(diào)的內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因而壓縮性能不好。而字典編碼工具比如gzip和LZMA (Lempel- Ziv-Markov chain Algorithm)卻對(duì)非連續(xù)色調(diào)內(nèi)容有很好的壓縮性能[4]。于是文獻(xiàn)[5~7]提出將字典編碼工具融合到傳統(tǒng)的混合編碼框架中的DMC (Dual-coder Mixed Chroma-sampling-rate)算法，實(shí)驗(yàn)顯示取得很好的性能。但是，DMC算法是在條帶內(nèi)，基于HEVC編碼樹(shù)單元(Coding Tree Unit, CTU, HEVC中的基本編碼單元)實(shí)現(xiàn)的，而CTU大小默認(rèn)是64×64，顯然，適用字典編碼的區(qū)域可能小于64×64，并且DMC算法對(duì)4:4:4格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了子采樣，轉(zhuǎn)變?yōu)?:2:0格式，不可避免地引入失真。為了進(jìn)一步提升編碼性能，本文將字典編碼工具應(yīng)用于HEVC的編碼單元(Coding Unit, CU，由CTU按照四叉樹(shù)劃分得到，大小8×8~64×64)，使之成為HEVC的一種幀內(nèi)模式，叫做ISC (Intra String Copy)，能夠與HEVC原有編碼工具更加和諧地融合在一起。實(shí)驗(yàn)顯示比僅僅應(yīng)用于CTU的DMC算法，性能明顯提高。

2 ISC算法概述

包含ISC的HEVC編碼框架[8]如圖1所示。按照CU自適應(yīng)的方式，每個(gè)輸入的CU經(jīng)過(guò)幀間、幀內(nèi)、IBC, ISC編碼后，通過(guò)HEVC的率失真優(yōu)化選擇機(jī)制，選取RD(Rate Distortion)代價(jià)最小的編碼模式，將編碼結(jié)果放入碼流。

圖1 包含ISC的HEVC編碼器框圖

2.1 ISC編碼器和解碼器

ISC編碼器和解碼器如圖2所示。

在編碼端，輸入的CU像素?cái)?shù)據(jù)，首先經(jīng)過(guò)像素重排器重新組織和排列。因?yàn)?，在HEVC中，像素以YUV或RGB分量的2維平面格式組織，而ISC編碼器實(shí)質(zhì)上是1維字典編碼器，其基于散列表的搜索需要在1維空間進(jìn)行，于是需要通過(guò)一定的方式把CU像素?cái)?shù)據(jù)重新排列，把2維數(shù)據(jù)1維化，同時(shí)把分離的YUV或RGB數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，成為一個(gè)像素，以像素為單位存入搜索緩存。像素重排之后，在搜索緩存內(nèi)，基于散列表尋找盡可能長(zhǎng)的匹配串，串的長(zhǎng)度最小值為1，最大值為當(dāng)前CU內(nèi)像素總數(shù)。如果找到匹配串，保存串的長(zhǎng)度和匹配點(diǎn)到當(dāng)前位置的距離；如果沒(méi)有找到匹配串，則保存當(dāng)前像素，稱(chēng)為未匹配像素。然后在下一個(gè)位置像素繼續(xù)搜索。整個(gè)CU搜索完成之后，對(duì)搜索的結(jié)果進(jìn)行熵編碼，得到RD 代價(jià)，進(jìn)行HEVC模式選擇。如果確定采用ISC編碼模式，需要在碼流中寫(xiě)入一個(gè)比特的標(biāo)識(shí)位。

圖2 CU自適應(yīng)ISC編解碼器架構(gòu)

在解碼端，解碼標(biāo)識(shí)位，確定當(dāng)前CU采用ISC編碼之后，碼流經(jīng)過(guò)熵解碼得到匹配串的長(zhǎng)度、匹配距離、未匹配像素等句法元素。然后在搜索緩存內(nèi)，根據(jù)這些句法元素重建當(dāng)前CU。即，如果有匹配，則根據(jù)匹配串的長(zhǎng)度和距離，從搜索緩存內(nèi)相應(yīng)位置復(fù)制相應(yīng)長(zhǎng)度的像素到當(dāng)前位置；如果沒(méi)有匹配，則將解碼得到的未匹配像素直接填充到當(dāng)前位置。在搜索緩存內(nèi)重建整個(gè)CU之后，需要把1維像素格式的重建數(shù)據(jù)，按照HEVC的2維平面格式，把YUV或RGB分量分別存入相應(yīng)的HEVC重建緩存。

2.2 ISC算法的相關(guān)句法

經(jīng)由熵編碼產(chǎn)生的ISC碼流由以下句法元素組成：匹配標(biāo)志(標(biāo)識(shí)在搜索緩存中是否搜索到匹配串)，未匹配像素，距離(當(dāng)前位置與搜索緩存中匹配位置之間的距離減1)，長(zhǎng)度(匹配串的長(zhǎng)度減1)，八元組標(biāo)志(最近使用的8個(gè)距離值存放在一個(gè)數(shù)組中，稱(chēng)為八元組)，八元組索引(0~7)。對(duì)這些句法元素熵編碼的解析過(guò)程如圖3所示。

圖3 ISC熵編碼解析流程圖

3 ISC算法相關(guān)技術(shù)

3.1 搜索緩存

搜索緩存即字典，是ISC專(zhuān)用緩存，在編碼器里用于匹配串搜索，在解碼器中用于匹配串重建。在編碼器，搜索緩存里存放當(dāng)前正在編碼CU的原始像素和之前已經(jīng)編碼的CU的重建像素。搜索緩存的大小是預(yù)先指定的，有7個(gè)級(jí)別，Level1~7分別為4, 8, 16, 64, 256, 1024, 4096 kB。

顯然，搜索緩存越大，越可能找到更優(yōu)的匹配，但增加的時(shí)間和空間開(kāi)銷(xiāo)也就越多。實(shí)際最常用的緩存大小是Level 4的64 kB。

3.2像素重排

在HEVC中，像素以3個(gè)分量的平面格式組織，即Y, U, V或R, G, B 3個(gè)獨(dú)立矩陣。但是這種像素組織方式并不適合ISC字典編碼器。事實(shí)上，輸入到ISC字典編碼器的CU圖像數(shù)據(jù)，首先在像素重排器內(nèi)按照?qǐng)D4所示的某種掃描順序，把Y, U, V或R, G, B 3個(gè)獨(dú)立分量打包成一個(gè)像素Pixel (YUV)或Pixel(RGB)，以像素為單位，按照1維方式存放在搜索緩存中，即：Pixel0(Y0U0V0), Pixel1(Y1U1V1)或Pixel0(R0G0B0), Pixel1(R1G1B1)?？捎玫膾呙桧樞蛴袌D4所示的水平掃描、垂直掃描、水平旋轉(zhuǎn)掃描和垂直旋轉(zhuǎn)掃描4種。本文實(shí)際采用水平掃描方式。

圖4 4種掃描順序

3.3 基于散列表的搜索

ISC的基本操作是在搜索緩存里，找到與當(dāng)前要編碼的像素相一致的像素，也就是尋找匹配串。如果在搜索范圍和限定的搜索次數(shù)內(nèi)能夠找到匹配串，編碼器輸出匹配位置和當(dāng)前位置之間的距離以及匹配串的長(zhǎng)度；如果不能找到匹配串，編碼器就會(huì)輸出當(dāng)前像素，即未匹配像素。然后處理下一個(gè)像素。如果逐個(gè)像素地搜索整個(gè)緩存尋找匹配串，消耗的時(shí)間不可接受，為了加快搜索速度，有必要使用散列表：通過(guò)散列函數(shù)，將每個(gè)像素的YUV或RGB分量的24 bit映射為更少bit的散列值，依據(jù)散列值將像素在圖像中的位置存入散列表，采用拉鏈開(kāi)散列的方法處理散列沖突，即將相同散列值的像素位置放在同一條鏈上。搜索的時(shí)候，只需要計(jì)算當(dāng)前像素的散列值，然后到對(duì)應(yīng)的散列表的鏈上依次取得匹配位置，嘗試匹配，搜索速度能夠大大加快。散列函數(shù)如式(1)所示，其中是經(jīng)過(guò)初始化的大小為256數(shù)組，Pix.Y, Pix.U, Pix.V是像素的Y, U, V或R, G, B值，HashMask為散列表表頭大小減1。

由于每次編碼完一個(gè)CU，ISC的搜索緩存指針(指示搜索位置)和散列表存儲(chǔ)的內(nèi)容都會(huì)發(fā)生變化，而HEVC對(duì)每一個(gè)CTU內(nèi)所有CU的編碼過(guò)程是先根遍歷四叉樹(shù)的過(guò)程，于是在進(jìn)行下一個(gè)CU編碼之前，需要將搜索緩存指針和散列表表頭恢復(fù)到一個(gè)正確的狀態(tài)。可以按照如下步驟進(jìn)行：

(1)每個(gè)CU在編碼之前，首先保存搜索緩存指針和散列表表頭。

(2)編碼父CU的第1個(gè)子CU時(shí)，將搜索緩存指針和散列表恢復(fù)至父CU起始狀態(tài)。

(3)編碼其他子CU時(shí)，將搜索緩存指針和散列表恢復(fù)至這個(gè)CU的緊鄰兄弟CU的起始狀態(tài)，并讀入這個(gè)兄弟CU的重構(gòu)像素，用這些重構(gòu)像素更新散列表。

散列表包括表頭和鏈表兩部分，其中鏈表與搜索緩存大小相同，隨字典Level的變化而變化，在固定的字典Level下，表頭的大小對(duì)ISC編碼性能影響很小，對(duì)編碼時(shí)間影響較大。表頭太小，鏈表長(zhǎng)度增加，搜索次數(shù)相應(yīng)增加，增加編碼時(shí)間；表頭太大，由于表頭需要頻繁的保存和恢復(fù)，也會(huì)增加編碼時(shí)間。實(shí)際選取12位的散列表位(Hash Bits)，即散列表的表頭大小為, 4k。

3.4 八元組

句法元素中的匹配距離，取值范圍是(1~搜索緩存大小)，假設(shè)搜索緩存為L(zhǎng)evel 4，匹配距離的取值范圍就是(1~16384)。顯然，這是一個(gè)比較大的范圍，為了更有效的編碼匹配距離，引入了八元組，即：將最近出現(xiàn)的八個(gè)匹配距離存入數(shù)組，用索引(0~7)表示。在尋找匹配串的時(shí)候，首先在散列表里查找，記錄下最長(zhǎng)匹配串長(zhǎng)度(mainLen)和匹配距離(mainDist)；然后對(duì)八元組里保存的匹配距離嘗試尋找匹配，如果找到的匹配串的長(zhǎng)度(refLen)滿(mǎn)足式(2)，則認(rèn)為八元組里尋找的匹配更優(yōu)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證算法性能，以HEVC的SCC測(cè)試軟件HM14.0_RExt7.0_SCM1.0[9]為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)ISC算法。所有實(shí)驗(yàn)以文獻(xiàn)[10]規(guī)定的測(cè)試條件進(jìn)行，分為無(wú)損(lossless)和有損(lossy)兩種編碼模式，每種模式有全幀內(nèi)(All Intra, AI)，隨機(jī)接入(Random Access, RA)，低延遲(Low-delay B, LB)3種配置。

實(shí)驗(yàn)選用的13個(gè)測(cè)試序列[11]分為4類(lèi)，分別為T(mén)GM(Text and Graphics with Motion), MC(Mixed Content), CC(Camera Captured)和A(Animation)。每個(gè)序列有RGB和YUV兩種色彩格式，所以實(shí)際使用的測(cè)試序列有26個(gè)。測(cè)試序列的分辨率為720 p, 1080 p或1440 p，幀數(shù)為120~600不等。

為了評(píng)估算法性能，HEVC規(guī)定，對(duì)于無(wú)損編碼，使用比特?cái)?shù)變化表示碼率變化，對(duì)于有損編碼，使用BD-rate[12,13]衡量同樣客觀質(zhì)量下的碼率變化。為了評(píng)估編碼器和解碼器復(fù)雜度，軟件運(yùn)行的編碼時(shí)間和解碼時(shí)間也進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)比較了下述的3種編碼方法：

(1)HM14.0_RExt7.0_SCM1.0(SCM)默認(rèn)設(shè)置。

(2)HM14.0_RExt7.0_SCM1.0集成基于CTU的DMC算法(DMC)。

(3)HM14.0_RExt7.0_SCM1.0集成ISC算法(ISC)。

SCM中IBC的搜索范圍是整幅圖像，DMC和ISC均為64 kB。

表1是ISC與SCM和DMC的編碼、解碼時(shí)間比較，其中數(shù)據(jù)為本文算法與對(duì)比算法時(shí)間總和的比值。表2列出了全部測(cè)試序列選中ISC模式的CU占圖像面積的百分比。表3是ISC與SCM和DMC在無(wú)損和有損模式下的性能比較，每一行數(shù)據(jù)是一組色彩格式、類(lèi)別、分辨率均相同的測(cè)試序列的平均值，所有的26個(gè)測(cè)試序列共分為12組，每組1~4個(gè)序列，負(fù)值表示本文算法與對(duì)比算法相比較節(jié)省了碼率。圖5給出了SCM, DMC, ISC 3種編碼器在有損編碼模式，AI配置下，兩個(gè)典型屏幕圖像序列的率失真曲線。本文所列數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格解碼驗(yàn)證，ISC數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微軟交叉驗(yàn)證[14]。

表1 ISC與SCM和DMC時(shí)間比較(%)

表2 ISC模式的CU占圖像面積(%)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

(1)無(wú)損模式下，本文ISC比SCM最大減少碼率AI 23.3%, RA 14.9%, LB 11.6%；有損模式下，ISC比SCM最多節(jié)省碼率15.1%。無(wú)損模式下，本文ISC算法比DMC最大減少碼率AI 7.1%, RA 6.9%, LB 6.9%；有損模式下，ISC比DMC最多節(jié)省碼率5%。

(2)對(duì)于不同類(lèi)別的測(cè)試序列，ISC算法的性能不同。對(duì)于YUV TGM(1080p)這一組測(cè)試序列ISC算法有最好性能，比SCM無(wú)損模式平均提高23.3%，有損模式平均提高Y 13.9%, U 15.1%, V 14.3%；比DMC無(wú)損模式平均提高7.1%，有損模式平均提高Y 5.0%, U 5.0%, V 4.9%。對(duì)于其他的TGM以及MC類(lèi)測(cè)試序列，ISC也有較好的性能增益。對(duì)于A類(lèi)和CC類(lèi)測(cè)試序列，ISC沒(méi)有增益。這是由于，A和CC類(lèi)序列非常近似于自然圖像，不是嚴(yán)格意義上的屏幕圖像，幾乎所有屏幕圖像相關(guān)算法均對(duì)這兩類(lèi)序列沒(méi)有增益。

(3)ISC算法對(duì)于無(wú)損編碼性能增益大于有損編碼。這是因?yàn)椋琁SC算法本身是一種無(wú)損匹配，搜索過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生殘差，在無(wú)損編碼情況下，避免了殘差熵編碼，較其他會(huì)產(chǎn)生殘差的算法更有優(yōu)勢(shì)，獲得的性能增益更多。從表2可以看出，選中ISC的CU的圖像面積的占比，全I(xiàn)幀，無(wú)損最多有36.3%，平均21.2%，有損最多有16.9%，平均6.4%，無(wú)損模式高于有損模式，并且對(duì)于TGM類(lèi)序列選中的面積明顯高于其他類(lèi)序列。這些都與ISC性能增益的數(shù)據(jù)保持一致，選中ISC的CU越多，ISC的增益往往越大。

(4)從圖5的率失真曲線可以看出，在高碼率的情況下，ISC的性能增益大于低碼率的情況。這是因?yàn)?，隨著量化參數(shù)增大，碼率降低，在率失真優(yōu)化選擇的時(shí)候，碼率越來(lái)越重要，失真重要性相應(yīng)降低，沒(méi)有失真的ISC模式越來(lái)越難以在率失真優(yōu)化選擇中勝出。

(5)從表1編碼時(shí)間來(lái)看，ISC算法復(fù)雜度增加非常少。從解碼時(shí)間來(lái)看，ISC比DMC和ISC都有所減少，且ISC性能提升越多的序列，解碼時(shí)間越短，這是由于ISC無(wú)需進(jìn)行殘差解碼，重構(gòu)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。另外，ISC算法的空間開(kāi)銷(xiāo)也十分有限，以Level 4為例，僅僅需要64 kB搜索緩存和272 kB散列表。

表3 ISC與SCM和DMC性能比較(%)

圖5 3種編碼器率失真(RD)曲線比較

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)屏幕圖像的特點(diǎn)，結(jié)合字典編碼工具，在前人工作的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于HEVC的CU自適應(yīng)的處理屏幕圖像的ISC幀內(nèi)編碼模式。在復(fù)雜度增加很有限的情況下，對(duì)屏幕圖像的編碼性能有顯著改善。采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件的實(shí)驗(yàn)顯示，在無(wú)損編碼模式下，AI, RA, LB 3種配置分別比HEVC降低碼率23.3%, 14.9%, 11.6%，有損編碼模式下，分別比HEVC降低碼率15.1%, 12.0%, 8.3%。ISC在無(wú)損編碼方面有著更大的性能增益，這得益于ISC本身的無(wú)損匹配。

ISC性能還可以進(jìn)一步提升：一種方法是，對(duì)于有損編碼模式，引入顏色量化的方法，使像素值的分布更加集中，減少整個(gè)搜索空間內(nèi)像素的種類(lèi)，進(jìn)行模糊匹配，更容易找到長(zhǎng)的匹配串。另一種方法是增加CU內(nèi)像素自適應(yīng)掃描順序，即改變現(xiàn)在單一的水平掃描方式，增加垂直掃描，旋轉(zhuǎn)掃描等其他方式，CU自適應(yīng)選擇最優(yōu)掃描方式，可以同時(shí)提升有損和無(wú)損編碼性能。這些是下一步的研究方向。

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A New HEVC Intra Mode for Screen Content Coding

Chen Xian-yi①Zhao Li-ping①②Lin Tao①

①(,,200092,)②(,,,314000,)

Because of the poor effect of the traditional coding methods on the screen content coding, considering the screen content is rich in non-continuous tone content, a new intra coding mode based on High Efficiency Video Coding (HEVC), which is called Intra String Copy (ISC), is proposed. The basic idea is adopting the dictionary coding tool on the HEVC Coding Unit (CU) level. When encoding, the current CU pixels are searched and matched in a certain length dictionary window by using Hash table. When decoding, according to the pixels string matching distances and lengths, the current CU pixels in the reconstruction cache are restored by copying the corresponding position pixels. Experiment results show that with little coding complexity increase than HEVC, for typical screen content test sequences, ISC can achieve lossy coding bit-rate saving of 15.1%, 12.0%, 8.3% for All Intra (AI), Random Access (RA), and Low-delay B (LB) configurations, respectively, and lossless coding bit-rate saving of 23.3%, 14.9%, 11.6% for AI, RA, and LB configurations.

High Efficiency Video Coding (HEVC); Screen content coding; Dictionary coding; Hash table

TN919.8

A

1009-5896(2015)11-2685-06

10.11999/JEIT150261

2015-02-22；改回日期：2015-06-10；

2015-07-27

陳先義 chenxy666@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61201226, 61271096)；上海市自然科學(xué)基金(12ZR1433800)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20130072110054)

The National Natural Science Foundation of China (61201226, 61271096); Natural Science Foundation of Shanghai (12ZR1433800); Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20130072110054)

陳先義： 男，1981年生，博士生，研究方向?yàn)橐曨l編碼算法.

趙利平： 女，1983年生，博士生，研究方向?yàn)橐曨l編碼算法.

林 濤： 男，1958年生，教授，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w算法和SoC設(shè)計(jì).