FPGA與DSP協(xié)同處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)之：典型實(shí)例-整數(shù)DCT變換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

11.6典型實(shí)例21：整數(shù)DCT變換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

11.6.1實(shí)例的內(nèi)容及目標(biāo)

1．實(shí)例的主要內(nèi)容

本節(jié)旨在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264算法中的整數(shù)DCT變換部分，幫助讀者了解并行流水設(shè)計(jì)技巧在算法優(yōu)化中的作用。

2．實(shí)例目標(biāo)

通過本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)。

·了解數(shù)字域變換的基本原理和用處。

·掌握DCT和整數(shù)DCT變換的變換方法。

·學(xué)習(xí)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

·學(xué)習(xí)流水線設(shè)計(jì)方法。

·編程實(shí)現(xiàn)DCT變換。

11.6.2整數(shù)DCT變換的原理

1．DCT簡(jiǎn)介

H.264是一種圖像壓縮編碼方法，它的變換編碼和以前各種標(biāo)準(zhǔn)中的DCT有所不同。以前標(biāo)準(zhǔn)中直接采用DCT的定義進(jìn)行變換，會(huì)帶來兩個(gè)問題。第一，需要進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)操作，從而造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)算上的復(fù)雜性；第二，由于變換核都是無理數(shù)，而有限精度的浮點(diǎn)數(shù)不可能精確地表示無理數(shù)，再加上浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算可能會(huì)引入舍入誤差，這就使得在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致編解碼的不匹配（mismatch），即反變換的輸出結(jié)果和正變換的輸入不一致。

為了解決這些問題，H.264采用基于4×4塊的整數(shù)操作而不是實(shí)數(shù)運(yùn)算，使得變換操作僅用整數(shù)加減和移位操作就可以完成。這樣既降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，又避免了編解碼誤匹配，能夠得到與4×4DCT變化類似的編碼效果，而由此帶來的編碼性能的減少微乎其微。

由于變換中無乘法，采用基于提升結(jié)構(gòu)的無乘法二進(jìn)制DCT（BinDCT），只包括加法和16位算術(shù)移位，這樣大大減小了運(yùn)算復(fù)雜度。尤其是對(duì)低端處理，減少了乘法運(yùn)算且保持了整數(shù)變換的優(yōu)點(diǎn)，精確的整數(shù)排除了編碼器和解碼器之間反變換的誤匹配，保證了變換的效果。

2．DCT設(shè)計(jì)原理

我們可以通過各種公式推導(dǎo)出整數(shù)DCT正變換的公式。

（11.1）

公式（11.1）中，雖然乘以1/2的操作可以用右移來實(shí)現(xiàn)，但這樣會(huì)產(chǎn)生截?cái)嗾`差，因此，我們將1/2提到矩陣外面，并與右邊的點(diǎn)乘合并，得到公式（11.2）。

（11.2）

這就是H.264中所用到的整數(shù)變換公式，其變換核僅用加減法（和左移）即可以實(shí)現(xiàn)，而后面的點(diǎn)乘操作可以合并到隨后的量化過程中去。

H.264中所用到的反DCT變換公式如下：

（11.3）

其中與Y點(diǎn)乘的操作與反量化合并，乘以系數(shù)1/2的操作由右移來實(shí)現(xiàn)，由于反量化后的結(jié)果足夠地大，所以這里不會(huì)出現(xiàn)截?cái)嗾`差的問題。以上各式中，，。

H.264的整數(shù)DCT變換可以分做兩步完成：先對(duì)需要做變換的矩陣的每一列做一維變換，再對(duì)其結(jié)果的每一行做一維變換，這個(gè)次序也可以反過來，先行后列。這樣二維變換就可以用一維變換來實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，為了減少運(yùn)算量，每一步可以采用蝶型算法，以公式（11.2）的第一步對(duì)X的第一列進(jìn)行一維變換為例，其運(yùn)算過程如下式所示。

（11.4）

其中為第一列的元素，為濾波結(jié)果。由公式（11.4）可見計(jì)算有很多重復(fù)，如就同時(shí)被計(jì)算和的公式所使用，所以可以將其暫時(shí)保存起來以避免重復(fù)計(jì)算，對(duì)應(yīng)的蝶型算法如圖11.21所示。

從圖中可以看見，若按公式（11.4）計(jì)算需要進(jìn)行12次加法、4次乘法。而按圖11.19中的蝶型算法僅需8次加法、2次乘法，它利用了運(yùn)算中的冗余，大大降低了運(yùn)算量。

11.6.3實(shí)例步驟

1．創(chuàng)建新工程并添加源文件

如圖11.22所示，首先創(chuàng)建一個(gè)新工程并為工程添加源文件。

2．添加測(cè)試文件，并添加激勵(lì)

如圖11.23所示，為工程添加測(cè)試文件。

圖11.22創(chuàng)建新工程并添加設(shè)計(jì)文件 圖11.23添加測(cè)試文件

在測(cè)試文件中為測(cè)試添加激勵(lì)，如圖11.24所示。

圖11.24添加激勵(lì)

3．使用ModelSim進(jìn)行仿真

要使用ModelSim對(duì)工程進(jìn)行仿真首先要在計(jì)算機(jī)上面安裝ModelSim軟件。安裝好以后在ISE7.1i的菜單里面選擇Edit→Preferences，如圖11.25所示。

在上面的對(duì)話框里面，“IntegratedTools”復(fù)選頁里面的ModelTechSimulator里面選擇modelsim.exe的路徑，單擊“OK”按鈕。

圖11.25設(shè)置仿真工具參數(shù)

然后再選擇菜單里面的View→Refresh，刷新剛才更改的設(shè)置，如圖11.26所示。

圖11.26刷新設(shè)置

刷新后就會(huì)看見ProcessView里面的圖標(biāo)變成ModelsimSimulator的一些功能，如圖11.27所示。

圖11.27ModelSim仿真選項(xiàng)

此時(shí)雙擊“SimulateBehavioralModel”就可以對(duì)工程進(jìn)行行為仿真了，如圖11.28所示。

圖11.28打開ModelSim進(jìn)行行為仿真

在ModelSim的波形窗口中觀察到的行為仿真結(jié)果如圖11.29所示。

圖11.29行為仿真結(jié)果

11.6.4小結(jié)

本節(jié)介紹視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264算法中的整數(shù)DCT變換模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并通過ModelSim軟件仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)結(jié)果。