離散余弦變換（DCT）是N.Ahmed等人在1974年提出的正交變換方法。它常被認(rèn)為是對(duì)語(yǔ)音和圖像信號(hào)進(jìn)行變換的方法。為了工程上實(shí)現(xiàn)的需要，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者花費(fèi)了很大精力去尋找或改進(jìn)離散余弦變換的快速算法。由于近年來數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的發(fā)展，加上專用集成電路設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，這就牢固地確立離散余弦變換（DCT）在目前圖像編碼中的重要地位，成為H.261、JPEG、MPEG 等國(guó)際上公用的編碼標(biāo)準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)。在視頻壓縮中，常用的變換方法是DCT,DCT被認(rèn)為是性能接近K-L變換的準(zhǔn)變換。

　　在基于DCT變換的圖像壓縮編碼方法中，對(duì)DCT系數(shù)必須做量化處理。量化過程是一個(gè)多對(duì)一的映射，例如對(duì)一個(gè)8×8塊的64個(gè)DCT變換系數(shù)分別除以量化步長(zhǎng)后取整。由于大多數(shù)DCT變換系數(shù)量化后變?yōu)榱?，因而達(dá)到壓縮的目的。由于在量化過程中用到除法，因此通常需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　但是，可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片結(jié)構(gòu)比定點(diǎn)DSP芯片復(fù)雜，價(jià)格一般也比定點(diǎn)DSP芯片高很多。所以數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中通常采用定點(diǎn)DSP芯片來完成圖像壓縮運(yùn)算，這種方法已經(jīng)成為數(shù)字圖像處理技術(shù)的的一個(gè)趨勢(shì)。

　　TMS320C6200系列是德州儀器的新一代高性能定點(diǎn)DSP芯片。它具有VLIW（Very Long Instruction Word）結(jié)構(gòu)，由8個(gè)可并行運(yùn)行的執(zhí)行單元構(gòu)成。這些單元使得該系列芯片在單周期內(nèi)可以并行執(zhí)行多條指令，例如在單周期內(nèi)并行完成2個(gè)16位×16位乘法和2個(gè)移位操作。它還具有流水線結(jié)構(gòu)，使得若干條指令的不同執(zhí)行階段可以并行執(zhí)行。這些設(shè)計(jì)使得TMS320C6200系列芯片程序執(zhí)行速度更快、性能更高。

　　定點(diǎn)DSP完成的是整數(shù)運(yùn)算或小數(shù)運(yùn)算，數(shù)值格式中不包含階碼，通常定點(diǎn) DSP是16位或24位數(shù)據(jù)寬度。在定點(diǎn)DSP上完成除法，通常的辦法是調(diào)用庫(kù)函數(shù)。但是調(diào)用庫(kù)函數(shù)，勢(shì)必會(huì)打破循環(huán)中的流水線操作，嚴(yán)重影響量化的完成速度。所以提高量化過程速度的關(guān)鍵就在于避免任何函數(shù)調(diào)用、跳轉(zhuǎn)等操作。

　　本文以TMS320C6200系列定點(diǎn)DSP為例，提出一種用定點(diǎn)乘法和移位運(yùn)算來代替量化過程中除法和飽和運(yùn)算的方法，從而極大地提高了量化過程的運(yùn)行速度。該方法也同樣適用于其它各種定點(diǎn)微處理器。

　　1 MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中采用的量化技術(shù)及程序優(yōu)化

　　MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種量化方式：H.263量化方式和MPEG-4量化方式。這里為簡(jiǎn)單起見，只介紹TMN2.0編碼器所用到的一種量化策略：AC系數(shù)和幀間宏塊的DC系數(shù)用H.263量化方式，而幀內(nèi)宏塊的DC系數(shù)用MPEG-4量化方式中的DC系數(shù)非線性量化方式。

　　1.1 H.263量化方式

　　量化參數(shù)QP可以取值[1,3],量化步長(zhǎng)為2QP.則量化公式為：

　　對(duì)于幀內(nèi)宏塊，LEVEL=|COF|/（2QP）

　　對(duì)于幀間宏塊，LEVEL=（|COF|-QP/2）/（2QP）式中，COF表示即將被量化的DCT變換系數(shù)，LEVEL表示量化結(jié)果的。

　　1.2 MPEG-4DC系數(shù)非線性量化方法

　　量化公式為：LEVEL=DC_COF//dc_scaler

　　式中，DC_COF表示即將被量化的DCT變換DC系數(shù)；LEVEL表示量化結(jié)果；//表示先進(jìn)行除法運(yùn)算，然后對(duì)結(jié)果四舍五入取整。

　　在內(nèi)部宏塊內(nèi)，定義亮度塊為類型 1塊，色差塊為類型2塊，類型1塊的C系數(shù)由類型1的非線性標(biāo)尺量化；類型2的DC系數(shù)由類型2的非線性標(biāo)尺量化。

　　表1為定義DC非線性量化標(biāo)尺dc_scaler.

　　表1 幀內(nèi)宏塊DC系數(shù)標(biāo)尺

　　從表1中可以看到亮度塊和色差塊的DC系數(shù)有獨(dú)立的量化標(biāo)尺，亮度塊具有較大的標(biāo)尺而色度塊具有較小的標(biāo)尺。這種分段線性的非線性量化策略是一種高效的量化方式，它在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了壓縮效率。

　　1.3 將量化除法改定點(diǎn)乘法的方式

　　以內(nèi)部宏塊的AC系數(shù)量化公式為例，將其改寫為：

　　LEVEL=|COF|/2QP=|COF|（2 n/2QP）/2 n

　　定義量化參數(shù)ac_cocff=[2n/2QP],[x]表示對(duì)x截尾取整，則：

　　LEVEL=|COF|×ac_coeff/2n

　　在QP的取值都范圍[1,31]內(nèi)，要使截尾取整后的每一個(gè)2 n/2QP的值都能夠用量化參數(shù)ac_coeff一一對(duì)應(yīng)地表示，n必須足夠大。通過計(jì)算得出：當(dāng)n≥11時(shí)滿足要求。

　　取n=11得到ac_coeff的計(jì)算公式為：

　　ac_coeff=[2 11/2QP]

　　其實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)字（32 bit）的低11位（0Q11）來表示1/2QP的小數(shù)部分。

　　由于QP在[1,31]之間，可以用上述公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)于幀內(nèi)宏塊AC系數(shù)量化的量化系數(shù)的查找表：ac_coeff=AcQConff[QP].用C語(yǔ)言表示為（假設(shè)QP=0時(shí)ac_coeff=0）：

　　計(jì)算表明，AC系數(shù)量化系數(shù)、亮度塊DC系數(shù)量化系數(shù)和色差塊DC量化系數(shù)都可以統(tǒng)一用一個(gè)字的低11位（0Q11）來表示。這樣就可以分別計(jì)算出它們的量化系數(shù)的查找表，從而實(shí)現(xiàn)用乘法運(yùn)算代替除法運(yùn)算。

　　而除以2 n的操作可以用右移n位的辦法來完成。

　　對(duì)于8bit無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)表示的象素值，在經(jīng)過DCT變換后，其DCT變換系數(shù)的值域?yàn)閇-2048,2047],有12位二進(jìn)制數(shù)。同時(shí)，由上述分析可知量化系數(shù)有11位。所以用本文方法計(jì)算出的量化系數(shù)與DCT變換系數(shù)相乘后，結(jié)果不會(huì)溢出。

　　根據(jù)MPEG-4 Visual標(biāo)準(zhǔn)TMN 2.0的要求，量化后AC系數(shù)值要飽和到[-2048,2047]之間?？衫肨MS320C62x芯片指令集中的飽和左移指令SSHL來實(shí)現(xiàn)，只需要兩條指令即可完成飽和運(yùn)算，無(wú)需使用比較指令與跳轉(zhuǎn)指令。

　　下面給出內(nèi)部宏塊量化的TMS320C62x線性匯編程序：

　　由該程序可以看到，程序中沒有任何會(huì)影響流水線的的跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句及函數(shù)調(diào)用。因此將該程序編譯后會(huì)發(fā)現(xiàn)，此循環(huán)被優(yōu)化構(gòu)成軟件流水。如果再使用其它一些優(yōu)化手段，比如合并程序中的移位指令，合作字訪問指令處理兩個(gè)短型數(shù)據(jù)等，該程序的效率將會(huì)更高。我們用TMS320C62x軟件仿真器測(cè)試表明，原來使用除法的量化函數(shù)需要4871個(gè)周期，而運(yùn)用上述優(yōu)化辦法進(jìn)行優(yōu)化后的量化函數(shù)只需275個(gè)周期即可完成，效率提高約18倍。

　　DCT/IDCT變換及量化過程是視頻圖像壓縮系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊。該模塊的執(zhí)行速率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的處理流度影響很大，因此將量化過程中的浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)運(yùn)行，提高該模塊在定點(diǎn)DSP芯片上的執(zhí)行速度，其意義顯得尤為重要。同時(shí)由于目前絕大多數(shù)數(shù)字通訊系統(tǒng)都基于定點(diǎn)DSP芯片，如果用定點(diǎn)芯片完成視頻圖像處理將會(huì)有易于與數(shù)字通訊系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。我們的這一方法為在定點(diǎn)芯片上完成圖像處理進(jìn)行了有益的嘗試，為后續(xù)的研發(fā)工作打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。