H.264／AVC中量化的Verilog實現

0 引 言

H.264作為新一代的視頻壓縮標準，是由ITU-T的視頻編碼專家組和ISO／IEC的MPEG(運動圖像編碼專家組)成立的聯合視頻小組共同開發的。它優異的壓縮性能也將在數字電視廣播、視頻實時通信、網絡視頻流媒體傳遞以及多媒體通信等各個方面發揮重要的作用。

在核心技術上，H.264／AVC采用各種有效的技術，如統一的VLC符號編碼、1／4像素精度的運動估計、多模式運動估計、基于4×4塊的整數變換、分層編碼語法等。由于采用了整數變換，計算不會出現浮點數，而且精度高等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率。在量化方面，量化步長采用52個，下面將主要分析量化。在此，提出量化的Verilog實現，將變換后的數據作為輸入，以量化后的碼流作為輸出，達到量化的目的。

1量化的功能介紹

取樣后的脈沖信號在時間上是離散的，但在幅值和空間上仍是連續的，即其可能取的值有無限多個，這就需要對它采用四舍五入的方法，將其可能的幅值數由無限多個變為有限個值。這種將信號幅值由連續量變成離散量的過程稱為量化。

在不降低視覺效果的前提下，量化過程可減少圖像編碼長度，減少視覺恢復中不必要的信息。H.264采用標量量化技術，將每個圖像樣點編碼映射成較小的數值。一般標量量化器的原理為：

式中：y為輸入樣本點編碼；QP為量化步長；FQ為y的量化值；round()取整函數(其輸出與輸入實數最近的整數)。

2量化的算法介紹

在H.264中，量化步長Qstep共有52個值。如表1所示。其中，QP是量化參數，是量化步長的序號。當QP取最小值0時，代表最精細的量化；當QP取最大值51時，代表最粗糙的量化。QP每增加6，Qstep增加1倍。應用時可以在這個較寬的量化步長范圍根據實際需要靈活選擇。對于色度編碼，一般使用與亮度編碼同樣的量化步長。為了避免在較高量化步長時出現顏色量化人工效應，現在的H.264草案把色度的QP最大值大約限制在亮度QP最大值的80％范圍內。最后的H.264草案規定，亮度QP的最大值是51；色度QP的最大值是39。

在H.264中，量化過程是對DCT的結果進行操作：

式中：Yij是矩陣Y中的轉換系數；Zij是輸出的量化系數；Qstep是量化步長。

H.264量化過程還要同時完成DCT變換中“Ef”乘法運算，它可以表述為：

式中：Wij是矩陣W中的轉換系數；PF是矩陣EF中的元素。根據樣本點在圖像中的位置(i，j)取值如表2所示。

利用量化步長隨量化參數每增加6而增加1倍的性質，可以進一步簡化計算，即：

式中：floor()為取整函數(其輸出不大于輸入實數的最大整數)。式(3)可以寫為：

這樣，MF可以取整數。表3給出對應QP值為0～5的MF值。對于QP值大于5的情況，只是qbits值隨QP值每增加6而增加1，而對應的MF值不變。這樣，量化過程為整數運算，可以避免使用除法，確保用16位算法來處理數據，在沒有PSNR性能惡化的情況下，實現最小的運算復雜度如表3所示。


具體量化過程的運算為：



式中：“》”為右移運算，右移1次完成整數除以2；sign()為符號函數；f為偏移量。f的作用是改善恢復圖像的視覺效果，如對幀內預測圖像塊f取2qbits／3；對幀間預測圖像塊廠取2qbits／6。

3具體實現

在該文中，用Verilog語言實現H.264的量化；運用Modelsim進行仿真；用QuartusⅡ進行綜合。

根據Verilog編程，Modelsim仿真如圖1所示。

輸入的矩陣是[140，-1，-6，7，-19，-39，7，-92，22，17，8，31，-27，-32，-59，-21]，最后量化的結果為[17，0，-1，0，-1，-2，0，-5，3，1，1，2，-2，-1，-5，-1]。由此可知，這與Iain E.G.Richardson給出的結果相符合。所用的開發板是紅色颶風第三代開發板，FPGA芯片是Altra EP2C35F484C8。從綜合后的報告可以看出，消耗的資源不到1％，如圖2所示。綜合后的RTL圖如圖3所示。

4結 語

介紹了H.264的量化算法，并用Modelsim進行了仿真，結果與理論完全一致。分析了在FPGA開發板上的資源的消耗。由此可知，完全可以用FPGA實現H.264的量化。