[发明专利]基于图像像素块行/列流水线的快速模式判决装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于AVS实时编码技术的硬件实现装置和方法，尤其涉及一种基于图像像素块行/列流水线的快速模式判决装置和方法。

背景技术

AVS是我国为了适应数字电视广播、数字存储媒体、网络流媒体、多媒体通信等应用中对运动图像压缩技术的需要而自主制定的数字音视频编解码标准，它采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和熵编码等。帧间预测使用基于块的运动预测来消除图像间时域冗余，帧内预测使用空间预测模式来消除图像内空域冗余，再通过对预测残差进行变换和量化消除图像视觉冗余。最后，运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数经熵编码进行压缩形成比特流。

与MPEG-2，、MPEG-4及H.264视频压缩标准一样，AVS也以16x16宏块作为编码的基本单元，每个宏块由6个8x8的块组成，其中4个亮度块，2个色度块。在编码器中编码模式的选择是一个非常重要的环节，它直接影响到编码的性能和码率。所谓模式选择是指当前宏块的编码有多种策略，根据视频内容及场景的变化，对每一个宏块选择一个最佳的编码策略进行编码。如亮度突变，则应采用帧内预测编码，而当前、后帧有较强相关性时可采取帧间编码模式。编码模式选择应该对视频内容及场景变化有很好的适应性，因此在实时视频编码框架中要确定一种快速有效的模式决策方法。

而目前所研究的都是基于率失真优化(RDO)的模式判决策略，RDO能用于解决每种模式编码所用的比特数与图像失真间的优化问题。虽然RDO技术能有效提高编码系统的性能和图像质量，但是在实时编码的前提下，对所有编码模式都做RDO选择，其巨大的数据吞吐量是无法让人接受的。因此如何合理有效的进行模式决策一直是国内外研究的热点。

在高清视频越来越流行的今天，数字视频编码器的设计变得异常复杂：数据处理吞吐量大，外部存储器访问带宽需求高，电路资源消耗大，实现复杂度高。同时，硬件编码器对实时性的要求非常高，为了能够实现低成本和低功耗编码，往往需要其工作频率能够做到150MHz甚至更低。目前相关硬件实现方法，都是基于16x16宏块级以及8x8块级流水线。以公开号为CN 101394560A的专利为例，假设流水线共有3级，那么在当前时刻T，流水线第一级处理N+1号块，第二级处理N号块，第三级处理N-1号块；到了下一流水时刻T+1，则变成第一级处理N+2号块，第二级处理N+1号块，第三级处理N号块，具体参见图1。但是对于高清视频处理，这种流水处理方式很难实现低系统时钟频率的编码系统。如需要降低编码系统频率，则要对算法作较大简化，从而导致一定程度失真，无法达到用户欣赏高质量视频画质的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种基于图像像素块行/列流水线的快速模式判决装置和方法。它完成一个宏块的模式判决过程只需要不到400个时钟周期，能够以不到150MHz的系统频率满足每秒30帧1920x1080高清视频图像实时编码的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明所述的一种基于图像像素块行/列流水线的快速模式判决装置，包括控制，帧内预测，核心计算，SAD(绝对误差和)计算，重构以及数据传输等模块。其中：

控制模块，负责本模块整体控制，以及负责整个内部处理流程；

帧内预测模块，读取当前块周围数据，根据读取到的数据判断哪些模式可用，然后按照AVS标准中所描述的方法，进行帧内预测，计算得到当前块的预测块，并把结果输出到核心计算模块；

核心计算模块，实现基于RDO判据的模式决策，包括：计算帧内预测块和原始块之间的残差；对残差块进行处理，先后进行DCT变换，量化，反量化，DCT反变换，熵编码过程，得到失真SSD(差值的平方和)以及编码后的码流比特R；计算率失真代价RDcost＝SSD+λ×R，λ是拉格朗日乘子；

SAD计算模块，提取传输过来的SAD值，同时也要计算帧内模式的SAD值进行模式预判决，并将选择出的模式反馈给控制模块；

重构模块，将核心计算模块中经过DCT反变换得到的残差块与原始块相加，计算重构像素。同时，等最佳模式检测出来之后，保存最佳模式的重构像素，以供后面模块使用；

数据传输模块，当最佳模式生成之后，需要将mv、预测方向等信息传送给后续模块。

所述的适于AVS编码的模式判决装置，为保证像元行/列级流水，需要在各个模块每一级之间加缓冲存储器，存储上一级得到的结果，并为下一级输送数据，控制流水的进行。