H.264/AVC视频编码变换量化核的硬件设计

　　随着数字化视频技术在视频电话、视频会议、DVD以及高清晰度数字电视等方面的应用，视频压缩标准也随之不断发展。ITU-T制定的H.26x系列和 ISO/IEC制定的MPEG-x系列，是视频领域中两大独立的主流视频压缩标准。2003年，这些组织又联合推出新的视频压缩标准H.264 /MPEG-4 -10AVC，简称H.264/AVC。 H.264/AVC采用一系列新的压缩方法[1]，可获得更好的压缩效果，其压缩率达到以往标准的1.5~2倍[2]。因此，基于这一标准的相关研究和硬件实现具有重要的意义。视频压缩硬件实现的关键是编解码模块，其中尤以编码模块最为核心。本文主要研究编码模块中的4×4整数变换量化核，提出硬件实现的优化方法，并采用Verilog HDL语言进行硬件设计和综合。

　　1 4×4整数变换量化核的原理

　　在以前的视频编码标准如MPEG-2和H.263中，对于预测的残差数据都是采用8×8离散余弦变换(DCT)[1]作为变换的基本运算操作;而在H.264/AVC编码标准中，则采用类似DCT变换形式的基于4×4 像素块的整数变换。由于变换块的尺寸缩小，运动物体的划分更精确，而且运动物体边缘处的衔接误差大为减小。

　　对于整数变换方式，4×4像素块的变换公式[3]为：

　　式中，(CXCT)是二维变换核，Ef是缩放因子矩阵，符号表示CXCT矩阵里的每个元素和Ef矩阵中相同位置的元素相乘，a=1/2，b=。为了更有效地压缩数据，需要利用量化的方法对变换后的数据进行有损压缩。同时，由于整数变换需要利用矩阵行向量的归一化因子进行系数缩放处理，为降低变换的运算量，在H.264/AVC标准中将变换的系数缩放并进行量化运算处理，避免了复杂的实数运算和除法运算，更有利于硬件的实现。

　　对于量化方式，正向量化运算可由如下公式[3]实现：

　　式中， Zij为量化后的系数;Wij为变换矩阵W=CXCT中的元素;MF=·2q，PF 称为缩放系数，根据元素在阵列块中的不同位置，其取值如表1所示，Qstep为量化步长，由0至51共52个量化参数QP决定，QP增加1， Qstep增加12.5%; q=15+QP/6，QP/6取整数;对于帧内宏块f取2q/3，帧间宏块f取2q/6。需要指出的是，MF的值可根据PF和QP的取值经简单计算得到，并可形成表格，通过查表方式便可实现硬件运算，并有效地提高了运算速度。

　　2 4×4整数变换量化核的优化设计

　　为进一步提高硬件运算速度，减少硬件开销，设计中采用了如下优化方法：

　　(1)在求取变换阵W=CXCT时，根据变换的对称性，将X的列变换(矩阵左乘)与行变换(矩阵右乘)分开实现，把二维变换分割为两次一维变换，并采用快速堞形算法[4]来实现。一维变换的快速算法实现如图1所示，其中的列变换可用如下算式表示：