“魂芯”DSP HEVC熵编码和去方块滤波算法的实现与优化
发布时间：2020-09-16 18:47
与H.264相比,高效视频编码标准(HEVC)在保证视频质量相近的情况下,压缩率可提高一倍。然而,HEVC在获得高效的编码性能的同时也使其编码复杂度急剧提高,需要编码处理终端拥有更高的数据处理能力才能达到实时编码的要求,这给HEVC的推广应用产生了不利影响。熵编码和去方块滤波是HEVC编码器中的两个关键模块,本文基于项目的实际需求,在BWDSP平台上对熵编码和去方块滤波模块进行优化实现,其目的就是减少两个模块的运算复杂度,提高其运行速度,为HEVC实时编码奠定基础。本文首先基于BWDSP分别对熵编码和去方块滤波模块的运算复杂度进行深入分析。其次,基于BWDSP搭载的硬件资源,分别从算法级优化、系统级优化和代码级优化3种不同层级的组合优化方案对熵编码和去方块滤波模块进行优化处理。(1)算法级优化,本文提出一种基于划分深度的提前终止非滤波边界进入后续处理的方法,该方法在不影响码率的情况下大大减少了去方块滤波过程中无用的工作量,并提出了一种改进的变换系数熵编码结构,该结构减少了原算法结构中大量的条件分支,易硬件实现。(2)系统级优化,提出了一种基于BWDSP的熵编码存储器优化策略,权衡了熵编码速度和有限的片内存储器之间的矛盾,并提出了一种基于乒乓buffer的DMA数据传输优化方法,该方法提高了数据吞吐率,加快了熵编码运行速度。(3)代码级优化,主要采用循环展开、软件流水和加强指令并行优化方法进行汇编优化设计,并针对变换系数矩阵中最后一个非零系数的位置等信息的扫描过程设计了一种基于单核DSP的多任务级并行处理优化方案,该优化方案的执行速度是其传统串行汇编优化方法的7倍以上,并对上下文模型初始化过程和强滤波过程分别设计了相应的并行处理架构。最后,通过实验结果表明,经过优化,HEVC熵编码和去方块滤波模块的运行速度显著提高,平均加速比分别达到15倍和6倍。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN919.81
【部分图文】：
２．１视频编码器分层结构逡逑为了适应不同的网络环境，ＨＥＶＣ编码器采用了视频编码层（ＶＣＬ）和网络逡逑适配层（ＮＡＬ）的两层结构，如图２．１所示。输入视频图像进入视频编码层经过编逡逑码后形成编码比特流输出。ＮＡＬ单元是ＨＥＶＣ封装码流的工具，即将编码器输出逡逑的码流再经过网络适配层将一系列的码流封装成一个个ＮＡＬ单元［２５］。将封装好的逡逑一系列ＮＡＬ单元再根据不同的视频业务采用相应的传输协议进行传输，如点播类逡逑视频应用通常采用可靠的传输协议一ＴＣＰ／ＩＰ，视频会议通常采用不可靠的传输协逡逑议（ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ）等。然后，通过有线或无线网络将ＮＡＬ单元送往用户终端。到逡逑达用户终端之后，首先通过网络适配层将送来的一个个ＮＡＬ单元分离出一系列码逡逑流，然后将分离出的码流进入视频解码层经过解码后恢复出原始视频图像。逡逑视频编码层逦视频解码层逡逑｜逦“逡逑网络适配层逦网络适配层逡逑｜邋Ｈ．３２０邋｜邋｜邋ＭＰＥＧ邋｜逦｜邋Ｈ．３２４／Ｍ邋｜邋｜邋ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ邋｜逦｜邋ＴＣＰ／ＩＰ邋｜逡逑有线网络逦无线网络逡逑图２．１编码器分层结构逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｌａｙｅｒｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑２．２邋ＨＥＶＣ视频编码框架逡逑ＨＥＶＣ视频编码框架是由多层次编码模块组成，如图２．２所示，每个模块去除逡逑图像中不同的冗余信息
测模式选择，这里需要对每一种预测模式进行验证。在ＨＥＶＣ编码器中，制定了逡逑３５种预测模式可供选择，从而能够使帧内预测产生更冗余更小的预测值，使得编逡逑码效率更好。帧内预测模式选择如图２．３所示。逡逑１６逦１０逦２０逦２１逦２２逦２３逦２４逦２９邋２Ｓ邋２７逦２８逦２０逦３３逦３１逦３２逦３３逦３４逡逑图２．３逦３５种预测模式选择示意图逡逑Ｆｉｇ邋２．３逦３５邋ｍｏｄｅｌ邋ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑Ｐｌａｎａｒ使用四个角的参考像素得到的两个线性预测的均值，该模式预测值可以逡逑刻画平缓变换的信号。ＤＣ模式预测是通过计算参考像素的平均值。３３种角度模式逡逑可以为水平类模式和垂直模式，每一种角度模式都相当于在水平或垂直方向上做逡逑了一个偏移，不同角度对应的偏移值不同。为了提高帧内预测的效率，ＨＥＶＣ对８ｘ８逡逑或者更大的预测块在预测前对参考像素进行了简单的平滑滤波预处理。并且在功逡逑能更加完善的同时，那么多的模式选择同样也带来了巨大的计算量，会对编码的逡逑实时性有所影响。所以，在具体编码的过程中。我们应该充分考虑编码的图像纹逡逑理特征以及编码时的实时性和复杂性的要求，再去选择具体的合适的预测模式，逡逑这样就会使编码的整体性能达到最佳的水平。逡逑７逡逑
合肥工业大学学术硕士研宄生学位论文逡逑２．２．３顿间预测逡逑在视频内容没有产生剧烈变化时，相邻图像间细节的变化往往很像似，即帧逡逑与帧之间有很大的图像内容重复。帧间预测利用了相邻帧之间的时域相关性，让逡逑当前帧参考经过环路滤波处理过的重建图像，对当前帧进行帧间预测编码，以达逡逑到去除时域冗余的目的。其中运动估计和运动补偿是帧间预测中的两个关键模块。逡逑在大部分情况下，帧间预测的压缩效率远高于帧内预测，可达数十倍到上百倍。逡逑与Ｈ．２６４相比，ＨＥＶＣ的帧间预测编码部分总体上与之类似，但在不少方面也进逡逑行了改进。例如在亚像素插值过程中采用了重新设计的插值滤波器，新增了邋Ｍｅｒｇｅ逡逑和ＡＭＶＰ技术等。通过这几处方面的改善，使得g彵扔冢龋玻叮矗澹龋牛郑帽嗦胄阅苠义系玫搅撕艽蟮奶岣摺Ｖ〖淠？榛究蚣埽缤迹玻此尽ｅ义
本文编号：2820235
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN919.81
【部分图文】：
２．１视频编码器分层结构逡逑为了适应不同的网络环境，ＨＥＶＣ编码器采用了视频编码层（ＶＣＬ）和网络逡逑适配层（ＮＡＬ）的两层结构，如图２．１所示。输入视频图像进入视频编码层经过编逡逑码后形成编码比特流输出。ＮＡＬ单元是ＨＥＶＣ封装码流的工具，即将编码器输出逡逑的码流再经过网络适配层将一系列的码流封装成一个个ＮＡＬ单元［２５］。将封装好的逡逑一系列ＮＡＬ单元再根据不同的视频业务采用相应的传输协议进行传输，如点播类逡逑视频应用通常采用可靠的传输协议一ＴＣＰ／ＩＰ，视频会议通常采用不可靠的传输协逡逑议（ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ）等。然后，通过有线或无线网络将ＮＡＬ单元送往用户终端。到逡逑达用户终端之后，首先通过网络适配层将送来的一个个ＮＡＬ单元分离出一系列码逡逑流，然后将分离出的码流进入视频解码层经过解码后恢复出原始视频图像。逡逑视频编码层逦视频解码层逡逑｜逦“逡逑网络适配层逦网络适配层逡逑｜邋Ｈ．３２０邋｜邋｜邋ＭＰＥＧ邋｜逦｜邋Ｈ．３２４／Ｍ邋｜邋｜邋ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ邋｜逦｜邋ＴＣＰ／ＩＰ邋｜逡逑有线网络逦无线网络逡逑图２．１编码器分层结构逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｌａｙｅｒｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑２．２邋ＨＥＶＣ视频编码框架逡逑ＨＥＶＣ视频编码框架是由多层次编码模块组成，如图２．２所示，每个模块去除逡逑图像中不同的冗余信息
测模式选择，这里需要对每一种预测模式进行验证。在ＨＥＶＣ编码器中，制定了逡逑３５种预测模式可供选择，从而能够使帧内预测产生更冗余更小的预测值，使得编逡逑码效率更好。帧内预测模式选择如图２．３所示。逡逑１６逦１０逦２０逦２１逦２２逦２３逦２４逦２９邋２Ｓ邋２７逦２８逦２０逦３３逦３１逦３２逦３３逦３４逡逑图２．３逦３５种预测模式选择示意图逡逑Ｆｉｇ邋２．３逦３５邋ｍｏｄｅｌ邋ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑Ｐｌａｎａｒ使用四个角的参考像素得到的两个线性预测的均值，该模式预测值可以逡逑刻画平缓变换的信号。ＤＣ模式预测是通过计算参考像素的平均值。３３种角度模式逡逑可以为水平类模式和垂直模式，每一种角度模式都相当于在水平或垂直方向上做逡逑了一个偏移，不同角度对应的偏移值不同。为了提高帧内预测的效率，ＨＥＶＣ对８ｘ８逡逑或者更大的预测块在预测前对参考像素进行了简单的平滑滤波预处理。并且在功逡逑能更加完善的同时，那么多的模式选择同样也带来了巨大的计算量，会对编码的逡逑实时性有所影响。所以，在具体编码的过程中。我们应该充分考虑编码的图像纹逡逑理特征以及编码时的实时性和复杂性的要求，再去选择具体的合适的预测模式，逡逑这样就会使编码的整体性能达到最佳的水平。逡逑７逡逑
合肥工业大学学术硕士研宄生学位论文逡逑２．２．３顿间预测逡逑在视频内容没有产生剧烈变化时，相邻图像间细节的变化往往很像似，即帧逡逑与帧之间有很大的图像内容重复。帧间预测利用了相邻帧之间的时域相关性，让逡逑当前帧参考经过环路滤波处理过的重建图像，对当前帧进行帧间预测编码，以达逡逑到去除时域冗余的目的。其中运动估计和运动补偿是帧间预测中的两个关键模块。逡逑在大部分情况下，帧间预测的压缩效率远高于帧内预测，可达数十倍到上百倍。逡逑与Ｈ．２６４相比，ＨＥＶＣ的帧间预测编码部分总体上与之类似，但在不少方面也进逡逑行了改进。例如在亚像素插值过程中采用了重新设计的插值滤波器，新增了邋Ｍｅｒｇｅ逡逑和ＡＭＶＰ技术等。通过这几处方面的改善，使得g彵扔冢龋玻叮矗澹龋牛郑帽嗦胄阅苠义系玫搅撕艽蟮奶岣摺Ｖ〖淠？榛究蚣埽缤迹玻此尽ｅ义
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