AVS2帧内模式选择快速算法及实现装置的制作方法

本发明是一种在avs2硬件编码器帧内模式选择(md，modedecision)时，高效快速选择帧内预测模式的方法。

背景技术：

avs2国家标准是avs1之后新一代的标准，包括视频、音频以及系统三个部分。avs2视频编码的目标，是在保证视频主观质量的同时，在高清或更高分辨率下至少比avs1编码性能提高1倍。

在md中，亮度预测编码块会依次遍历全部33种模式，总共包含30个角度模式，dc模式，plane模式和bilinear模式。其中，模式编号分别为：0是dc模式；1是plane模式；2是bilinear模式；3～32是角度模式。参考图1，图1所示为avs2帧内角度模式的预测方向图。在30个角度模式中，12和24分别是垂直模式和水平模式。色度预测会遍历5种模式，分别为亮度导出模式(dm，derivedmode)，bilinear模式，dc模式，水平模式，垂直模式。

在md中33种模式根据代价函数计算比较，选择出较小cost对应的若干个候选模式。代价计算公式为公式(1)，d代表原始像素和预测像素的失真；λ代表拉格朗日乘数，根据配置文件中的qp大小和帧类型确定得到；r代表当前编码模式需要的编码比特数。

cost＝d+λ*r(1)

由(1)可知，模式选择是由率失真代价值的计算选择决定。但是所有不同大小的亮度编码单元(cu，codingunit)自顶向下从64x64到8x8都要依次遍历33种模式，然后计算失真d和码率r，最终比较选择较小cost对应的模式。标准保证了编码质量，但是引入了编码计算复杂度，这对于编码器的应用和开发带来了极大的挑战。

首先，cu之间有强烈的数据依赖性。当前编码块cu在选择出最优模式之后，相邻的下一个cu才会根据最优模式决策得到的周边重构像素进行模式选择。这样的依赖性加大了编码器的编码时间，尤其对于硬件编码器的流水设计是一个挑战。其次，md中决策的众多模式数带来了大量的计算量，消耗额外的编码时间和计算资源。

技术实现要素：

综上，avs2标准中规定了33种帧内预测模式，在进行模式选择时，如果遍历33种模式，可以获得最高编码质量，但编码时间代价太大。

本发明提供一种avs2帧内模式选择快速算法，其特征在于，在进行模式选择时，采用视频的原始像素作为参考像素插值生成预测块，并且不再参考周边块的帧内预测模式，从而打破了数据依赖性，减少了模式选择模块运行时间。

优选地，使用绝对残差和进行模式选择。

优选地，采用模式编号间隔为2的角度模式和3个非角度模式作模式选择，角度模式的集合为{4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32}，3个非角度模式分别为dc模式，plane模式和bilinear模式。

优选地，色度不做模式选择，直接采用对应亮度块选出的最优预测模式。

本发明还提供一种avs2帧内模式选择快速算法实现装置，其用于实现根据本发明的avs2帧内模式选择快速算法，其特征在于，该实现装置为5路硬件电路实现装置。

优选地，该实现装置分为6个部分：

部分1为原始像素存储阵列，其储存着编码块的原始像素；

部分2为参考像素获取电路，该电路从部分1中获取当前编码块预测需要用到的周边参考像素；

部分3为模式预测电路；

部分4为绝对残差和计算电路，其用于得到原始像素和预测像素的失真；

部分5为模式编号间隔为2的角度模式和3个非角度模式总共18种模式的cost比较电路，经过该电路选择出1种最优模式；

部分6为最优模式存储电路，其用来存储选择得到的最优模式。

优选地，5路硬件电路编码的模式分别是dc模式、plane模式、bilinear模式、模式4～10和模式26～32、模式12～24。

本专利提出的帧内模式快速选择算法，在保证编码质量的同时，可以缩短编码时间。同时，该快速算法简单规整，硬件设计易于实现。硬件电路实现装置中的帧内模式分成5路电路结构做模式预选，最终选出1个最优模式。

附图说明

图1是avs2帧内角度模式的预测方向图；

图2是根据本发明的md5路硬件电路实现装置。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的原理及示例性实施方式。

如上所述，avs2标准算法需要决策全部33种角度模式，并且cu之间的数据依赖性使得硬件设计成为一大瓶颈。为了减少模式决策的计算复杂度，本发明提出了一种基于硬件的快速决策算法和优化电路架构：

1.消除cu之间数据依赖性

正如前面阐述的，cu之间的数据依赖性，导致硬件流水设计成为一大瓶颈。相邻的下一个cu在当前cu决策出最优模式，得到周边最优重构像素后，才能开始在md中作模式选择。

为了消除cu之间的强数据依赖性，减少md中额外花费的等待时间，方便硬件模块级流水设计，在md模块中cu进行模式选择时，采用视频的原始像素作为参考像素插值生成预测块，并且不再参考周边块的帧内预测模式，从而打破了数据依赖性，减少了模式选择模块运行时间。

2.使用绝对残差和(sad，sumofabsolutedifference)进行模式选择

为了节省md中的计算量，采用残差的sad值来评估像素失真，这样的方法缩短了处理时间。

3.采用模式编号间隔为2的帧内角度模式

在avs2帧内模式中，相邻模式之间具有很强的空间相关性。所以，在md时，我们采用模式编号间隔为2的角度模式和3个非角度模式作模式选择。角度模式的集合为{4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32}。3个非角度模式分别为dc模式，plane模式和bilinear模式。这样的处理方式，减少了一半的预测模式，使得设计更为简单规整。

4.亮度决策模式决定色度模式

md中对亮度块对应的15种角度模式和3种非角度模式，总共18种模式作选择。而色度模式不做模式选择，直接采用对应亮度块选出的最优预测模式。这样的设计又进一步节省了md模块的电路设计面积和计算复杂度。

5.md5路硬件电路实现装置

md直接在18种预测模式中做模式选择。在15种角度模式中，模式集合{4，6，8，10}只会参考x轴的偏移像素；模式集合{26，28，30，32}只会参考y轴的偏移像素；而模式集合{12，14，16，18，20，22，24}会参考x轴和y轴的偏移像素。进一步发现，在集合{4，6，8，10}和集合{26，28，30，32}中，模式4与模式32，模式6与模式30，模式8与模式28，模式10与模式26，分别在x轴和y轴的偏移位置和权重系数是一致的，如表1所示为单一坐标轴偏移(权重)相同时模式对应关系；在集合{12，14，16，18，20，22，24}中，模式12和24，模式14和模式22，模式16和模式20分别对于x轴和y轴(或者y轴和x轴)的偏移位置也是对应一致的，如表2所示为双坐标轴偏移(权重)相同时模式对应关系。

表1单一坐标轴偏移(权重)相同时模式对应关系

表2双坐标轴偏移(权重)相同时模式对应关系

在上述分析后，我们可以把偏移位置相同的两个模式共用一套电路设计实现。因此，我们提出了5路硬件电路实现装置。参考图2，图2所示为md5路硬件电路实现装置。

该装置分为6个部分：1为原始像素存储阵列，该电路储存着编码块的原始像素；2为参考像素获取电路，该电路从1中获取当前编码块预测需要用到的周边参考像素；3为模式预测电路，5路硬件电路编码的模式分别是dc模式、plane模式、bilinear模式、模式4～10与模式26～32、模式12～24；4为sad计算电路，得到原始像素和预测像素的失真；5为18种模式的cost比较电路，经过该电路选择出1个最优模式；6为候选模式存储电路，用来存储选择得到的最优模式。

这样的硬件电路装置使得设计面积缩小了1倍，减少了电路面积的浪费，而且第4路和第5路电路需要处理的模式数目相当，不会带来电路的延时等待，能很好地满足编码器实时性的需求，节省编码时间。

算法部分，本发明具体采用如下4个技术手段简化md的设计，快速选择帧内预测模式：

1.用原始像素代替重构像素，消除cu间的数据依赖性；

2.用sad评估像素失真，减少了计算复杂度；

3.使用均匀的模式编号间隔为2的角度模式选择，模式数减少了1/2，减少了电路的设计面积，节省硬件资源；

4.色度模式完全依赖于最优亮度模式的选择，减少了计算量和节省了硬件电路资源。

硬件部分，基于软件对md模块的优化，本发明提出5路硬件电路实现装置，其中处理角度模式的2路电路进入的模式数相当，不会产生延时等待；并对偏移量相同的模式共享同一套硬件电路，设计简单规整。

上面参照附图说明了本发明的优选实施方式，但是，应当理解，上述说明仅是示例性的。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明作出各种修改和变型。本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。