摘 要： 提出了在FPGA上實現H.264中整數變換量化" title="整數變換量化" target="_blank">整數變換量化的方法，設計了基于動態數據寬度和流水線技術的軟核(IP)，在處理速度和硬件資源方面分別進行優化。此軟核作為PowerPC的一個硬件加速模塊在Xilinx Virtex-ⅡPRO中進行了驗證。實驗表明，在目前較難使用軟件方法實現高分辨率圖像實時編碼的情況下，本文設計的軟核能夠提供2110M Pixels/s的編碼速率，完全適應實時編碼。
關鍵詞： H.264；整數變換量化；動態數據寬度；流水線；PLB；軟核
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H.264以其高復雜度為代價獲得了優異的編碼效率， 其中除部分控制流程的復雜模塊外，H.264中的很多模塊適合用硬件實現。應用中通常使用CPU+FPGA結構，將耗時較多的模塊用FPGA實現，CPU僅負責一些低復雜度的算法和編碼流程參數的設置。
參考文獻[1]、[4]、[5]介紹了整數變換量化的硬件實現，但沒有考慮數據在處理過程中的寬度問題，因此會造成FPGA資源的浪費。本文充分考慮了數據在處理過程中的動態范圍，使用更少的FPGA資源來實現H.264中的整數變換量化模塊。
結合實際應用，文中對該軟核在計算速度和硬件資源方面分別做了優化。經過速度優化的軟核性能明顯優于文獻[1]、[4]、[5]中的設計，經過消耗資源優化的軟核也完全能夠勝任高分辨率的實時編碼。
1 整數變換
在完成幀內和幀間預測以后，需要對圖像參差數據進行整數變換和量化，使圖像數據的能量集中到一小部分系數上，進一步降低碼流速率。
1.1 整數變換原理
H.264中對圖像參差進行二維DCT變換，表達式為：
其中：
X為輸入數據，A為變換矩陣，Y為變換結果。H.264對4×4的圖像塊進行操作，則相應的4×4 DCT變換矩陣A為：
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? 防止解碼后的數據失配，H.264對4×4 DCT中的A進行改造，采用整數DCT技術，取
則（1）式可分解為：
與E的乘法被歸納到量化運算中，這樣(CXCT)中只剩下整數的加法、減法和移位運算，因此可以大大降低硬件實現的復雜度，變換結果最多只需要16位的數據。
1.2 整數變換硬件結構
本設計H.264中的4×4整數變換采用蝶形快速算法，如圖1所示。首先對4×4塊的每一行做一維整數變換，然后再對行變換結果做列的一維整數變換，最終得到4×4的整數變換結果。圖1模塊需要32個加法器和32個減法器，這樣在一個時鐘周期內就可以完成一個4×4塊的整數變換。
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整數變換通常的做法是全部使用16位加法器和減法器，這樣可以簡化設計。然而在實際應用中，輸入的像素點范圍是[0，255]，如果第一級變換就使用16位，則數據寬度無疑會占用更多的硬件資源。根據分析可知，計算一維行變換以后，數據輸出范圍為[-765，1020]，只需使用11位二進制數表示。計算一維列變換以后，數據輸出范圍是[-3 060，4 080]，需要使用13位二進制數表示。因此整數變換模塊的數據寬度可以確定為：進行一維行變換時的加法器和減法器使用11位數據寬度，一維列變換的加法器和減法器使用13位數據寬度。
由于數據單向流動的特點，即沒有反饋，可以使用流水線提高系統性能。使用流水線時需要注意前后模塊處理速率的匹配。如本模塊中在行變換與列變換插入緩存構成前后模塊，前后模塊用同一時鐘，并且整個模塊的工作頻率以最低工作頻率的模塊來確定。本設計用1級流水線來提高工作頻率。如果流水線級數過多會消耗大量FPGA資源，仿真實驗證明，此模塊使用1級流水線時，只增加極少FPGA資源。
2 量化
為了進一步降低圖像傳輸碼率，需要對圖像進一步壓縮，方法是使用變換編碼及量化技術。
2.1 量化原理
H.264中采用標量量化器。標量量化器的原理是：
其中，y為輸入樣本點編碼，Qstep為量化步長，FQ為y的量化值。H.264標準支持52個量化步長。量化的簡化操作如下：
其中，Wij為輸入樣本點編碼，MF是標準中定義的值，QP為量化系數，f為偏移量，對幀內預測圖像塊f取2qbits/3，對幀間預測圖像塊f取2qbits/6。
2.2 量化器實現
量化器硬件結構如圖2所示，其結果是實現對式(4)和式(5)的組合電路。W是需要量化的數據，MF是根據QP和當前點位置在查找表中得到的值。f和qbits是根據QP查表的輸出。
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為了硬件資源消耗最少，需要分析數據在計算過程中的動態范圍，使用最少的數據寬度來表示傳輸的數據，從而使用最少的硬件資源來實現組合運算邏輯。W是整數變換結果，根據整數變換部分的分析，其取值范圍是[-3 060，4 080]，MF最大取13 107，乘法器輸出動態范圍是[-40 107 420，53 476 560]，至少用27位二進制數表示。本量化器的乘法器使用Vetex-Ⅱ中的18×18硬件乘法器，因此在輸入加法器之前需要將數據寬度調整為27bit。加法器輸出的27位數據通過移位模塊調整為16位數據寬度。
綜合考慮工作頻率和資源占用率，設計中使用2級流水線來提高性能。
2.3 量化器優化
本量化器一次只能量化一個點，無法滿足高質量圖像編碼的要求。針對高質量圖像編碼對此量化器進行速度優化，即將n個量化器并聯，一個時鐘周期計算n個點。n根據實際需要進行選擇。考慮到與變換模塊的速度匹配，選擇16個量化器并聯。
3 軟核設計及測試
3.1 PLB總線的軟核結構
PLB（Processor Local Bus）總線是IBM開發的一種高性能片上總線，主要應用于PowerPC405處理器系統中，它支持32位、64位和128位數據寬度。本設計使用64位總線寬度，最大速據傳輸速率達800Mb/s。
如圖3，PLB的軟核設計分為總線接口和H.264整數變換量化模塊兩部分。PLB總線接口是與硬件體系結構相關的部分，它是整數變換量化模塊與PLB總線上其他設備進行交互的橋梁。整數變換量化模塊與體系結構無關，它也可以被移植到ARM體系結構中。
整數變換量化模塊的硬件結構如圖4。寄存器組包含9個32bit的寄存器，0、1、2、3為輸入的4×4參差數據寄存器；5、6、7、8為輸出數據寄存器；4為控制寄存器，包括go、done、reset、intra、DCT、ZSCAN、QP、datacount，分別對應啟動、完成、復位、幀內/幀間、DCT/Hadamard變換、Z掃描輸出、量化級數、數據輸出計數器。第二個模塊對寄存器組中數據進行4×4整數變換，使用1級流水線。第三個模塊對輸入的整數變換結果按QP進行量化，量化模塊中的MF、f、qbits使用FPGA中的查找表保存。數據輸出模塊受ZSCAN位控制，當ZSCAN＝1時，輸出數據寄存器中的數據按Z掃描排列；ZSCAN=0時，按矩陣排列。
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3.2 軟核的測試
首先使用IBM的CoreConnect工具和Modelsim6.0a來仿真設計的軟核并使用虛擬平臺進行測試，仿真的目的是保證PLB總線接口能被處理器正確訪問。仿真測試平臺結構如圖5所示。通過虛擬處理器將虛擬內存中的數據寫入待測軟核，然后讀取待測軟核中的數據并判斷是否正確。
仿真通過以后，再將軟核集成到系統中，以便驗證軟核在實際系統中的工作是否符合要求。驗證平臺系統結構如圖6，軟核驗證使用PC機和目標板相結合的方法，目標板使用Xilinx公司XUP Virtex-II PRO開發板，內部含有兩個PowerPC內核。
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驗證流程如圖7。首先通過USB口下載目標板程序，程序開始運行以后通過RS232從上位機下載待編碼的圖像參差數據，下載的數據保存在目標板上的256MB DDR SDRAM中。數據下載完畢后，程序將待編碼數據依次寫入軟核并啟動轉換，并將計算完的數據寫入DDR SDRAM，待全部數據編碼完畢，PowerPC將處理結果一起發送給上位機。上位機將結果與本機C代碼執行結果相比較，最終確認軟核是否正確工作。
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4 綜合結果分析
本設計中的整數變化量化模塊在Xilinx的XC2VP30 FPGA中進行綜合。XC2P30含有13 696個Slices和136個18×18乘法器。綜合工具使用Xilinx的ISE9.1。
整數變換模塊綜合結果如表1。
對量化器在速度和硬件資源上分別做了優化，表2給出了兩種優化的綜合結果。
表3給出本設計整數變換量化模塊與文獻[1]的比較結果。對照發現速度優化軟核編碼性能遠遠高于文獻[1]的設計，資源優化的軟核性能也略高于文獻[1]的設計。
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軟核綜合結果如表4。目前該軟核中的PLB接口部分資源占用較大，后續工作對這部分進一步優化。
本文將H.264中的整數變換量化與微處理器系統相結合，針對不同的應用場合實現了兩個基于PLB總線的H.264 整數變換量化軟核，并在Xilinx XUP Virtex-II PRO開發板中做了驗證。實驗結果表明，兩個軟核均能在系統中穩定工作，并能滿足不同分辨率的實時應用。
參考文獻
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[6] IBM Inc，Xilinx Inc.64-Bit Processor Local Bus Architecture Specifications.http://www.xilinx.com/products/
virtex/coreconnect/03_05_02_cc/CoreConnect/crcn.html.