在TM1300上實現H.26L的4×4點整數變換

摘要：H.26L是下一代視頻編碼標準。它的編碼性超越了所有現存標準，包括H.263+和MPEG-4（SP）。該文分析H.26L引入的多種新的編碼特性，著重講述4×4點整數變換，并提出一種在TM1300上實現的快速變換算法。

引言

H.26L是下一代視頻編碼標準。最初，H.26L由ITU-T的VCEG小組開始著手制訂。2001年11月，MPEG和VCEG聯合成立JVT小組共同參與制訂H.26L。也正因為MPEG的加入，H.26L將被納入MPEG-4的第十部分。由于H.26L標準還在制訂過程中，本文暫時以JVT提供的測試模型TML8為參考。

H.26L信源編碼的基本編碼框架類似于當前流行的視頻編碼標準，采用結合變換編碼和預測編碼的混合編碼技術。它出色的性能主要來源于引入的新編碼特性：4×4點整數變換、使用UVLC進行熵編碼、1/4～1/8像素精度的運行矢量、有多種塊大小進行運動估計等等。這些新的編碼技術從不同側面提高了壓縮性能和容錯性能。尤其是4×4點整數變換，是所有視頻壓縮協議中獨一無二的。

雖然H.26L標準還在制訂中，但是在初步的測試中，它的編碼性能超越了現存所有標準，包括H.263+和MPEG-4（Simple profile）。這些試驗結果表明，在取得相同的客觀視頻質量下，H.26L比H.263+能夠節省20%～50%的碼率，比MPEG-4（SP）節省多達50%的碼率。作為下一代視頻編碼標準，H.26L展示了其巨大的發展前景。

1 H.26L的4×4點整數變換

1.1 變換簡介

在H.26L編碼技術中，4×4點整數變換可以看作是DCT變換的整數版本，主要完成去除圖像的空間相關性，與4×4點DCT變換有著相同的性質。先考慮一維的整數變換：設a,b,c,d是4個待變換的點，A，B，C，D是對應的4個變換系數，則可以用以下公式表示a,b,c,d點的正變換：

A=13a+13b+13c+13d

B=17a+7b-7c-17d

C=13a-13b-13c+13d

D=7a-17b+17c-7d

反變換公式如下：

a'=13A+17B+13C+7D

b'=13A+7B-13C-17D

c'=13A-7B-13C+17D

d'=13A-17B+13C-7D

其中a和a'的關系是a'=676a。也就是說，經過反變換后，還需要進行歸一化操作，使得正變換和變換尺度一致。

同樣二維的4×4整數變換的變換核是可分離的。分離的變換將計算復雜度從O（N4）降到O（N3）。

1.2 與8×8點DCT變換的比較

與傳統的DCT變換相比，H.26L采用4×4點整數變換為視頻編碼帶來了以下優點：

①有助于減少塊斑和環形斑，提高了圖像質量。由于對變換系數進行了量化，造成了高頻系數丟失，所以恢復的圖像中會有塊班和環形班。在H.26L中，采用了更小的4×4點變換，可以有效抑制塊斑和環形斑。

②整數變換減小了積累誤差。傳統的積累誤差來自兩個方面：正變換和反變換不匹配造成的誤與量化造成的誤差。為了達到壓縮的目的，第二種誤差不可避免。但是，由于H.26L采用了精確的整數變換，所以正變換和反變換不會產生誤差，這樣有效地減少了積累誤差。

③運算速度快。因為H.26L采用的變換公式是一個簡單的整數方程，也就是說計算都是基于整數的，而不是浮點數，所以它減少了單個變換的計算量，也有利于采用定點的DSP實現。

2 在TM1300中的實現

TM1300是一款32位超高性能的多媒體處理器。它的核心處理器采用的是VLIW超長指令字結構，可以在每一個時鐘周期內同時進行5個操作；支持高度并行的定制操作，能大大加快數字信號處理和多媒體應用中常見的特殊運行的性能，而定制操作在使用上類似于C語言函數調用，方便了程序的設計。

本文針對4×4點整數變換的特點和TM1300的定制運算指令的特點，對整數變換作了以下調整：先做行變換，再做列變換。由于行變換的結果不會超過16位的表示范圍，故在作列變換之前，重新合并數據，再作列變換，這樣作是基于以下兩點考慮。

第一，由于視頻輸入數據為無符號的字節型，而TM1300是32位的處理器，以字為單位訪問內存，能提高訪問的效率。當前4×4數據塊（指針為P1）和參考幀4×4數據塊（指針為P2）的數據組織如下。待變換的點為當前數據塊的值與參考幀數據塊對應的值之差。

P1:cal,cb1,cc1,cd1 P2:ra1,rb1,rc1,rd1

ca2,cb2,cc2,cd2 ra2,rb2,rc2,rd2

ca3,cb3,cc3,cd3 ra3,rb3,rc3,rd3

ca4,cb4,cc4,cd4 ra4,rb4,rc4,rd4

第二，可以利用8位乘/累加的定制操作，一個操作能完成4個8位乘/累加，一個機器周期（CLK）最多能執行5個操作。與非定制的乘/累加相比，減少了運算的次數，提高了程序運行的并行度。

   圖1為ifir8ui定制操作功能示意圖。

3 實驗結果

本文提出的基于TM1300的4×4整數變換的快速算法，使用了并行算是技術大大減少了計算量。實驗表明，進行1個4×4點整數變換，直接用乘法和加法運算需要80個機器周期，改進后的算法只需28個機器周期；而利用TM1300進行1個8×8點定點DCT變換需要180個機器周期，也明顯大于4個4×4點整數變換時間。在變換方面H.264的變換編碼運算復雜度小于其它編碼方法。