在TM1300上实现H.26L的4×4点整数变换

引言

H.26L是下一代视频编码标准。最初，H.26L由ITU-T的VCEG小组开始着手制订。2001年11月，MPEG和VCEG联合成立 JVT小组共同参与制订H.26L。也正因为MPEG的加入，H.26L将被纳入MPEG-4的第十部分。由于H.26L标准还在制订过程中，本文暂时以 JVT提供的测试模型TML8为参考。

H.26L信源编码的基本编码框架类似于当前流行的视频编码标准，采用结合变换编码和预测编码的混合编码技术。它出色的性能主要来源于引入的新编码特性：4×4点整数变换、使用UVLC进行熵编码、1/4～1/8像素精度的运行矢量、有多种块大小进行运动估计等等。这些新的编码技术从不同侧面提高了压缩性能和容错性能。尤其是4×4点整数变换，是所有视频压缩协议中独一无二的。

虽然H.26L标准还在制订中，但是在初步的测试中，它的编码性能超越了现存所有标准，包括H.263+和MPEG-4（Simple profile）。这些试验结果表明，在取得相同的客观视频质量下，H.26L比H.263+能够节省20%～50%的码率，比MPEG-4（SP）节省多达50%的码率。作为下一代视频编码标准，H.26L展示了其巨大的发展前景。

1 H.26L的4×4点整数变换

1.1 变换简介

在H.26L编码技术中，4×4点整数变换可以看作是DCT变换的整数版本，主要完成去除图像的空间相关性，与4×4点DCT变换有着相同的性质。先考虑一维的整数变换：设a,b,c,d是4个待变换的点，A，B，C，D是对应的4个变换系数，则可以用以下公式表示a,b,c,d点的正变换：
A=13a+13b+13c+13d
B=17a+7b-7c-17d
C=13a-13b-13c+13d
D=7a-17b+17c-7d

反变换公式如下：
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‘的关系是a‘=676a。也就是说，经过反变换后，还需要进行归一化操作，使得正变换和变换尺度一致。
同样二维的4×4整数变换的变换核是可分离的。分离的变换将计算复杂度从O（N4）降到O（N3）。

1.2 与8×8点DCT变换的比较

与传统的DCT变换相比，H.26L采用4×4点整数变换为视频编码带来了以下优点：
①有助于减少块斑和环形斑，提高了图像质量。由于对变换系数进行了量化，造成了高频系数丢失，所以恢复的图像中会有块班和环形班。在H.26L中，采用了更小的4×4点变换，可以有效抑制块斑和环形斑。
②整数变换减小了积累误差。传统的积累误差来自两个方面：正变换和反变换不匹配造成的误与量化造成的误差。为了达到压缩的目的，第二种误差不可避免。但是，由于H.26L采用了精确的整数变换，所以正变换和反变换不会产生误差，这样有效地减少了积累误差。
③运算速度快。因为H.26L采用的变换公式是一个简单的整数方程，也就是说计算都是基于整数的，而不是浮点数，所以它减少了单个变换的计算量，也有利于采用定点的DSP实现。

2 在TM1300中的实现

TM1300是一款32位超高性能的多媒体处理器。它的核心处理器采用的是VLIW超长指令字结构，可以在每一个时钟周期内同时进行5个操作；支持高度并行的定制操作，能大大加快数字信号处理和多媒体应用中常见的特殊运行的性能，而定制操作在使用上类似于C语言函数调用，方便了程序的设计。

本文针对4×4点整数变换的特点和TM1300的定制运算指令的特点，对整数变换作了以下调整：先做行变换，再做列变换。由于行变换的结果不会超过16位的表示范围，故在作列变换之前，重新合并数据，再作列变换，这样作是基于以下两点考虑。

第一，由于视频输入数据为无符号的字节型，而TM1300是32位的处理器，以字为单位访问内存，能提高访问的效率。当前4×4数据块（指针为P1）和参考帧4×4数据块（指针为P2）的数据组织如下。待变换的点为当前数据块的值与参考帧数据块对应的值之差。
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，一个操作能完成4个8位乘/累加，一个机器周期（CLK）最多能执行5个操作。与非定制的乘/累加相比，减少了运算的次数，提高了程序运行的并行度。


图1为ifir8ui定制操作功能示意图

3 实验结果

本文提出的基于TM1300的4×4整数变换的快速算法，使用了并行算是技术大大减少了计算量。实验表明，进行1个4×4点整数变换，直接用乘法和加法运算需要80个机器周期，改进后的算法只需28个机器周期；而利用TM1300进行1个8×8点定点DCT变换需要180个机器周期，也明显大于 4个4×4点整数变换时间。在变换方面H.264的变换编码运算复杂度小于其它编码方法。