CN100548055C - 视频图像色度插值的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种只需两个乘法器和一个加法器的视频图像的色度插值方法及其装置。本发明通过串行输入整像素点，复用两个乘法器和一个加法器来达到插值色度块的目的。本发明的优点是节省了6个乘法器和2个加法器，减少了硬件面积，非常适合超大规模集成电路(VLSI)实现。
Description
技术领域
本发明涉及视频图像色度插值的方法和装置，尤其是指一种只需要两个乘法器和一个加法器的色度插值方法及其装置。
背景技术
视频信息具有直观性、确切性、高效性、广泛性等特点。数字视频技术随着Internet和移动通信的迅猛发展获得了日益广泛的应用，与模拟视频相比，数字视频具有失真小、噪声低、质量高、易处理、易校正、容量大、节目多等诸多优点。
但数字视频信息的信息量太大，这使得传输网络带宽要求高。所以一般将数字视频信号在网络上进行传送前先进行压缩编码，以便节省传送的带宽和存储空间。传送到接收端后再通过解码器解压缩得到原始信号。因此要使视频得到有效应用，就必须将视频信号压缩到一定的带宽内，即视频编码器应具有良好的压缩性能；同时压缩后的视频信号经解码器的解压缩必须保持一定的视频质量。
视频压缩编码技术就是对数字视频信号进行压缩和解压缩的技术。衡量一个视频压缩编码技术优劣的标志就是既要有较大的压缩比，又要保证一定的视频质量。H.264/AVC视频压缩标准就是这样一种高效、优异的视频压缩编码技术。尤其是将其应用在高清晰度电视(HDTV)领域，可以使成本降低。
随着我国数字电视整体平移进程的推进、高清电视标准的出台以及高清频道的开播，高清数字电视产业链正在逐步形成。按照北京奥组委对国际奥委会的承诺，2008年北京奥运会将采用高清电视技术转播。中央电视台及北京、上海、广东、江苏、辽宁、天津、浙江电视台等8家被确定为北京奥运会高清电视转播团队的国内电视机构，已经开始为高清奥运转播积极备战。除了目前已开展的有线高清数字电视外，“十一五”时期(2006年～2010年)，国家将大力推进地面、有线、卫星协同覆盖组网技术，国家广电总局在《“十一五”时期广播影视科技发展规划》中明确指出2008年我国将开展地面高清电视广播。国家政策的支持及奥运的机遇将使整个高清产业链的各个成员受益，并将有力带动高清摄录设备、高清机顶盒及高清数字电视等产品的销售。
2008年北京奥运会的召开将使我国的HDTV获得迅猛的发展，这也意味着H.264/AVC标准将得到大力应用。
H.264/AVC视频压缩标准是由ITU-TVCEG和ISO/IEC MPEG的专家共同组成的联合视频小组JVT(Joint Video Team)发展和制定的新一代视频编码国际标准。与以往的视频编码标准相比，H.264/AVC标准采用了很多新的特性，比如可变块大小的运动补偿、1/4像素精度的运动补偿、多参考帧、环内去块滤波等等。这些新的特性使H.264/AVC提高了两倍的压缩效率，同时显著提高了计算的复杂度。
1/4像素精度的运动估计/运动补偿就是H.264/AVC标准提高编码效率的一种方法。
数字视频信号由分布在离散时间上的一幅一幅的图像组成。由于邻近的图像之间很可能存在相关性，也就是说可能两幅图像像素的值很接近或后一幅图像某一块区域就是前一幅某一块区域的移动、拉伸等变化。所以在视频的编码端，为了节省带宽，我们没有必要对每一幅图像都单独编码，我们可以对前一幅图像编码，然后将它作为参考图像，计算出后一幅图像相对于参考图像的位置变化(运动矢量)和像素值的差(残差数据)，然后只需要传送运动矢量和残差数据，来达到压缩编码的效果(帧间预测)。在视频的解码端，当我们解码出前一幅图像，就可以根据运动矢量和残差数据解码得到后一幅图像。
在H.264/AVC中，一幅图像划分成若干个宏块，一个宏块由一个16×16亮度像素、一个8×8的Cb和一个8×8的Cr像素块组成(其中Cb和Cr统称为色度)。宏块又可划分为分割和亚分割。每一个帧间预测的宏块的分割或亚分割都是由参考图像中相同大小的一块区域来预测的。为了提高预测的精度，H.264/AVC采用1/4像素精度的运动估计/运动补偿。预测数据由参考图像与残差数据相加得到。运动矢量对亮度部分是四分之一精度、对色度部分是八分之一精度。由于在参考图像中亮度和色度的分数像素点(指半像素点、1/4像素点、1/8像素点)都不存在，所以必须用已经解码的整像素点来插值得到。
H.264/AVC的插值过程就是一个通过计算整像素点来得到分数像素点的过程。对亮度参考图像块进行亮度插值，对色度参考图像块进行色度插值。
H.264/AVC中色度插值部分的输入为：
1.两个色度参考图像块(一个Cb、一个Cr)。
2.两个用1/8精度表示的色度运动矢量，即mvCL0(前向)和mvCL1(后向)。可以统一表示为mvCLX，其中X代表0或者1。其中每个mvCLX又分为mvCLX[0]，指水平方向的运动矢量；mvCLX[1]，指垂直方向的运动矢量。mvCLX[0]和mvCLX[1]的最右边三位表示分数像素偏移，分别为xFracC＝mvCLX[0]&7(水平方向的分数像素偏移)，yFracC＝mvCLX[1]&7(垂直方向的分数像素偏移)。而mvCLX[0]和mvCLX[1]的除了最右边三位的其他位则表示整数像素偏移。
H.264/AVC中色度插值部分的输出为：与输入相同大小两个色度预测图像块(一个Cb，一个Cr)，各包括前向预测图像块和后向预测图像块。
插值得到的前向预测图像块和后向预测图像块输出给解码器的加权部分，加权部分通过将前向和后向图像根据一定的权重计算得到预测图像块，再加上残差数据就完成了运动补偿。
为了插值一块M×N的色度块，必须从片外存储器中参考一块(M+1)×(N+1)大小的块。如图1所示，分像素点X的计算公式如下：
X＝((8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C+xFracC×yFracC×D+32)/64 (1)
其中，xFracC和yFracC表示色度分数像素矢量，分别是mvCLX[0]和mvCLX[1]的最右边三位，xFracC＝mvCLX[0]&7(水平方向的分数像素偏移)，yFracC＝mvCLX[1]&7(垂直方向的分数像素偏移)。由于色度运动矢量是八分之一精度，在两个整像素点间插入1/8像素点后使两个整像素点距离为8。8-xFracC和8-yFracC就表示插值的1/8像素点X距离另一个整像素点的分数像素偏移。
由色度插值的公式(1)可知每插值得到一个色度预测值需要8个乘法器和3个加法器，这将消耗很多硬件面积。
发明内容
本发明提供了一种只需两个乘法器和一个加法器的视频图像的色度插值方法及其装置。
由色度插值的公式(1)可知，每插值得到一个色度预测值需要8个乘法器和3个加法器，这将消耗很多硬件面积。为了简化色度插值的硬件设计，本发明通过串行输入整像素点，复用两个乘法器和一个加法器来达到插值色度块的目的。本发明的优点是节省了6个乘法器和2个加法器，减少了硬件面积，非常适合超大规模集成电路(VLSI)实现。
本发明每插值一个1/8色度像素点，需要4个周期，输入为如图1所示的四个整像素点A，B，C，D和色度分数像素运动矢量xFracC和yFracC，输出为一个1/8像素点。在色度插值时，(M+1)×(N+1)大小的参考图像块的整像素点串行输入这个色度插值装置来得到M×N大小的色度预测图像块。
一种视频图像色度插值的方法，包括以下步骤：
第一步：输入整像素点A，选择器输出8-xFracC和8-yFracC，两个乘法器将三者相乘后得到结果(8-xFracC)×(8-yFracC)×A，存入寄存器；
第二步：输入整像素点B，选择器输出xFracC和8-yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第一步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B，存入寄存器；
第三步：输入整像素点C，选择器输出8-xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第二步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C，存入寄存器；
第四步：输入整像素点D，选择器输出xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第三步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C+xFracC×yFracC×D，存入寄存器；
第五步：由第四步的结果加上32再右移6位，就为色度插值输出；
第六步：以上步骤持续进行，直到该图像块全部插值完成；其中xFracC和yFracC表示色度分数像素运动矢量，8-xFracC和8-yFracC表示插值的1/8像素点X距离另一个整像素点的分数像素偏移。
一种基于上述方法的色度插值装置，该装置包括：
两个取补码模块，用来将xFracC和yFracC转换为8-xFracC和8-yFracC；
两个选择器，用来选择输出xFracC和8-xFracC，yFracC和8-yFracC；
两个乘法器；
一个加法器，将乘法器的输出和寄存器中的数据相加。
控制器，用来控制插值装置的工作。在清零信号rst_n为0时将寄存器内容清零。在使能信号en为1时插值装置开始工作。在装置开始工作的第一个周期装置的输入为A，选择器1的选择输出为8-xFracC，选择器2的选择输出为8-yFracC。在装置开始工作的第二个周期装置的输入为B，选择器1的选择输出为xFracC，选择器2的选择输出为8-yFracC。在装置开始工作的第三个周期装置的输入为C，选择器1的选择输出为8-xFracC，选择器2的选择输出为yFracC。在装置开始工作的第四个周期装置的输入为D，选择器1的选择输出为xFracC，选择器2的选择输出为yFracC。在得到插值结果后输出使能信号oe置一；
(x+32)＞＞6模块，用来将输入数据加上32，然后右移6位(右移6位相当于数值上除以64)。
附图说明
图1为色度的1/8像素插值示意图；
图2为本发明色度插值装置示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种视频图像的色度插值装置，包括：
两个取补码模块，用于将xFracC和yFracC转换为8-xFracC和8-yFracC。
两个选择器，用来选择输出xFracC和8-xFracC，yFracC和8-yFracC；
两个乘法器；
一个加法器，将乘法器的输出和寄存器中的数据相加；
控制器，用来控制色度插值装置的工作。在清零信号rst_n为0时将寄存器内容清零。在使能信号en为1时插值装置开始工作。在装置开始工作的第一个周期装置的输入为A，选择器1的选择输出为8-xFracC，选择器2的选择输出为8-yFracC。在装置开始工作的第二个周期装置的输入为B，选择器1的选择输出为xFracC，选择器2的选择输出为8-yFracC。在装置开始工作的第三个周期装置的输入为C，选择器1的选择输出为8-xFracC，选择器2的选择输出为yFracC。在装置开始工作的第四个周期装置的输入为D，选择器1的选择输出为xFracC，选择器2的选择输出为yFracC。在得到插值结果后输出使能信号oe置一。
(x+32)＞＞6模块，用来将输入数据加上32，然后右移6位(右移6位相当于数值上除以64)。
本发明色度插值装置用verilog硬件描述语言(HDL)实现，它可以与其他功能模块，如熵编/解码模块、帧内编/解码模块、变换编/解码模块等一起，组成一个完整的H.264/AVC编/解码器。该设计经过了C语言行为级仿真，Verilog RTL级仿真，逻辑综合和Verilog门级仿真。综合采用Synopsys Design Compiler的0.18μm工艺标准库。
本发明色度插值步骤为：
第一步：输入整像素点A，选择器输出8-xFracC和8-yFracC，两个乘法器将三者相乘后得到结果(8-xFracC)×(8-yFracC)×A，存入寄存器。
第二步：输入整像素点B，选择器输出xFracC和8-yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第一步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B，存入寄存器。
第三步：输入整像素点C，选择器输出8-xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第二步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C，存入寄存器。
第四步：输入整像素点D，选择器输出xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第三步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C+xFracC×yFracC×D，存入寄存器。
第五步：由第四步的结果加上32再右移6位，就为色度插值输出。
第六步：以上步骤持续进行，直到该图像块全部插值完成；其中xFracC和yFracC表示色度分数像素运动矢量，8-xFracC和8-yFracC表示插值的1/8像素点X距离另一个整像素点的分数像素偏移。
Claims (2)
1.一种视频图像色度插值的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：输入整像素点A，选择器输出8-xFracC和8-yFracC，两个乘法器将8-xFracC、8-yFracC和输入的整像素点三者相乘后得到结果(8-xFracC)×(8-yFracC)×A，存入寄存器；
第二步：输入整像素点B，选择器输出xFracC和8-yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第一步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B，存入寄存器；
第三步：输入整像素点C，选择器输出8-xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第二步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C，存入寄存器；
第四步：输入整像素点D，选择器输出xFracC和yFracC，两个乘法器将三者相乘后，得到的结果加上第三步存入寄存器的结果得到(8-xFracC)×(8-yFracC)×A+xFracC×(8-yFracC)×B+(8-xFracC)×yFracC×C+xFracC×yFracC×D，存入寄存器；
第五步：由第四步的结果加上32再右移6位，就为色度插值输出；
第六步：以上步骤持续进行，直到该图像块全部插值完成；
其中xFracC和yFracC表示色度分数像素运动矢量，8-xFracC和8-yFracC表示插值的1/8像素点X距离另一个整像素点的分数像素偏移。
2.一种基于如权利要求1所述方法的色度插值装置，其特征在于，该装置包括：
两个取补码模块，其中一个取补码模块用于将xFracC转换为8-xFracC，另一个取补码模块用于将yFracC转换为8-yFracC；
两个选择器，其中一个用于选择输出xFracC或8-xFracC，另一个用于选择输出yFracC或8-yFracC；
两个乘法器；
一个加法器，用于将乘法器的输出和寄存器中的数据相加；
控制器，用于控制色度插值装置的工作；
(x+32)＞＞6模块，用于对加法器输出的数据加上32，然后右移6位。
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