數(shù)字信號處理中的變換的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了本文提出一種數(shù)字信號處理中的變換的方法和裝置，該裝置包含蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩部分?；旌系谓Y(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為，蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)補(bǔ)償矩陣為，三者滿足：=?+。其中蝶形結(jié)構(gòu)可以是前人已經(jīng)提出的蝶形結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償矩陣是一個非零矩陣，且矩陣中任何元素的都比較小。補(bǔ)償過程可以采用矩陣乘法運(yùn)算，也可以采用蝶形結(jié)構(gòu)或者部分蝶形結(jié)構(gòu)。由于補(bǔ)償矩陣的特性，整個補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)也非常簡單。該混合蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)變換矩陣中各數(shù)值都不大，適合在DSP、x86和ARM等平臺上實(shí)現(xiàn)，且所包含的蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)都易于硬件實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】數(shù)字信號處理中的變換的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字信號的變換的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字信號處理技術(shù)是處理數(shù)字信息的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。處理當(dāng)前的數(shù)字信息，如數(shù)字視頻、數(shù)字圖像、數(shù)字音頻等，都需要用到數(shù)字信號處理技術(shù)。其中變換技術(shù)是為了去除信息的相關(guān)性，在整個數(shù)字信號處理技術(shù)中起著重要的作用。
[0003]圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)如JPEG、JPEG2000等和視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG、H.264、AVS以及新一代國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC和即將面世的AVS2等，都用到了變換技術(shù)處理數(shù)據(jù)，其中的變換的理論基礎(chǔ)都是離散余弦變換DCT。直觀上看，變換的過程是矩陣乘法的過程。但矩陣乘法的復(fù)雜度高且隨矩陣大小N的增長呈指數(shù)增長。大量的研究表明，通過使用一級或者多級的蝶形結(jié)構(gòu)代替矩陣乘法，可以大大減小實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。文獻(xiàn)[1]_[5]中分別提出了基于無理數(shù)DCT變換的蝶形結(jié)構(gòu)，這些蝶形結(jié)構(gòu)相似但互不相同，但都能降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，且其蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的變換矩陣是一個包含有無理數(shù)的矩陣。近十多年來，由于整數(shù)變換有著非常多的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，如H.264/AVC、HEVC、AVS。文獻(xiàn)[6]提出了一種整數(shù)變換的蝶形結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的變換矩陣是一個只包含整數(shù)的矩陣，為了保證變換性能，變換矩陣中各個數(shù)值都非常大。文獻(xiàn)[7]提出了一種整數(shù)變換的部分蝶形結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的變換矩陣也是一個整數(shù)矩陣，但換矩陣中各個數(shù)值都比較小。整數(shù)變換的蝶形結(jié)構(gòu)便于在硬件平臺(如FPGA、ASIC)實(shí)現(xiàn)，但由于其對應(yīng)的變換矩陣中各個數(shù)值非常大(通常需要大于8比特的自然二進(jìn)制數(shù)表示)，在DSP、X86和ARM等平臺上具有較大的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；整數(shù)變換的部分蝶形結(jié)構(gòu)，其變換矩陣中各個數(shù)值并不大(一般只需要8比特或者更小的自然二進(jìn)制數(shù)表示)，便于在DSP、x86和ARM等平臺上實(shí)現(xiàn)，但部分蝶形結(jié)構(gòu)中包含有矩陣乘法，在硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上非常高。
[0004]本文提出一種整數(shù)變換的混合蝶形結(jié)構(gòu)，該混合蝶形結(jié)構(gòu)包含蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩部分。混合蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為Cnxn，蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為Bnxn，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)補(bǔ)償矩陣為Rnxn，三者滿足:Cnxn=Bnxn+Rnxn。其中蝶形結(jié)構(gòu)可以是前人已經(jīng)提出的蝶形結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償矩陣Rnxn是一個非零矩陣，且矩陣中任何元素的絕對值不能超過α，α <β，其中β是一個人為設(shè)定的整數(shù)。補(bǔ)償過程可以采用矩陣乘法運(yùn)算，也可以采用蝶形結(jié)構(gòu)或者部分蝶形結(jié)構(gòu)。由于補(bǔ)償矩陣的特性，故整個補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)也非常簡單。該混合蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)變換矩陣中各數(shù)值都不大，且所包含的蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)都易于硬件實(shí)現(xiàn)，既保持了蝶形結(jié)構(gòu)和部分蝶形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了他們的缺點(diǎn)。
[0005]參考文獻(xiàn)如下:
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種數(shù)字信號處理中的變換的方法和裝置。
[0014]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本文提供一種整數(shù)變換的混合蝶形結(jié)構(gòu)，該混合蝶形結(jié)構(gòu)包含蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩部分。混合蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為Cnxn，蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣為Bnxn，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)補(bǔ)償矩陣為Rnxn，三者滿足:Cnxn=Bnxn+Rnxn。其中蝶形結(jié)構(gòu)可以是前人已經(jīng)提出的蝶形結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償矩陣Rnxn是一個非零矩陣，且矩陣中任何元素的絕對值不能超過α，α〈β，其中β是一個人為設(shè)定的整數(shù)。補(bǔ)償過程可以采用矩陣乘法運(yùn)算，也可以采用蝶形結(jié)構(gòu)或者部分蝶形結(jié)構(gòu)。由于補(bǔ)償矩陣的特性，故整個補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)也非常簡單。該混合蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)變換矩陣中各數(shù)值都不大，且所包含的蝶形結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)都易于硬件實(shí)現(xiàn)，既保持了蝶形結(jié)構(gòu)和部分蝶形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了他們的缺點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I中的蝶形結(jié)構(gòu)；
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I中的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I中的混合蝶形結(jié)構(gòu)；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2中的蝶形結(jié)構(gòu)；
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2中的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2中的混合蝶形結(jié)構(gòu)；
[0023]圖7是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3中的蝶形結(jié)構(gòu)；
[0024]圖8是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3中的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；
[0025]圖9是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3中的混合蝶形結(jié)構(gòu)；
[0026]圖10是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例4中的蝶形結(jié)構(gòu)；
[0027]圖11是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例4中的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；
[0028]圖12是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例4中的混合蝶形結(jié)構(gòu)；
[0029]圖13是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例5的關(guān)于變換方法在視頻或圖像編碼過程中的裝置圖；
[0030]附圖中的虛線表示該線上的數(shù)據(jù)取相反數(shù)。線上的數(shù)字表示該線上的數(shù)據(jù)乘以該數(shù)字。Yl, i表示向量Π的第i個元素，1=1, 2, 3...N, N表示向量Yl的元素個數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明的主要原理之一是，與矩陣乘法BnxnXX等價的一級或多級的蝶形運(yùn)算結(jié)構(gòu)，其所需的加法和乘法運(yùn)算次數(shù)，與BnxnXX所需的加法和乘法次數(shù)相比，大大減少，從而減少所需的運(yùn)算電路，降低電路規(guī)模。其中，Bnxn為NXN大小的矩陣，X為NX I的向量，N為正整數(shù)。本發(fā)明的主要原理之二是，在相同位寬下，加法器比乘法器具有更小的電路面積；減小輸入位寬可以有效地減小乘法器面積?；谏鲜鲈恚景l(fā)明將變換分解為蝶形變換和更容易實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償變換。蝶形變換可以有效地降低乘法和加法的運(yùn)算次數(shù)。所謂更容易實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償變換，是指通過約束補(bǔ)償變換中所需矩陣的數(shù)值，使得與變換核矩陣的矩陣乘法相比，補(bǔ)償變換所需的電路規(guī)模大大降低。結(jié)合兩者，本發(fā)明可以有效地降低視頻圖像解碼中的變換的電路的規(guī)模。
[0032]本發(fā)明關(guān)于變換的方法，包括以下步驟:
[0033]步驟1，實(shí)現(xiàn)蝶形結(jié)構(gòu)的變換YI=BnxnXX和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的變換Y2=RnxnXX ;所述的X是待變換的NX I向量；所述的Yl是蝶形結(jié)構(gòu)變換后的向量；所述的Y2是補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換后的向量；所述的Bnxn和Rnxn均為NXN的整數(shù)矩陣；所述的N是正整數(shù)；
[0034]步驟2，將Yl和Y2相加得到Y(jié):Y=Y1+Y2 ;所述的Y是變換后的輸出向量。
[0035]該方法一般用于視頻或圖像編解碼過程中。
[0036]本發(fā)明關(guān)于變換的裝置，包括蝶形結(jié)構(gòu)單元、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)單元和求和單元。所述的蝶形結(jié)構(gòu)單元輸入為待變換的向量X，輸出為蝶形結(jié)構(gòu)變換后的向量Yl ;所述的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)單元輸入為待變換的向量X，輸出為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換后的向量Υ2;所述的求和單元其輸入為Yl和Υ2，輸出為變換后的向量Y。
[0037]該裝置一般用于視頻或圖像編解碼過程。
[0038]為了使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0039]實(shí)施例1
[0040]以下述Ν=8的變換矩陣Cnxn為例，變換過程為Y=CnxnXX,其中X是待變換的NX I的向量，Y是變換后的NXl的向量。該變換過程無等價的蝶形結(jié)構(gòu)，只有部分蝶形結(jié)構(gòu)。[0041]^NxN —[
32 44 42 38 32 25 17 9
32 38 17 -9 -32 -44 -4^ -25
32 25 -17 -44 -32 9 4一 38
32 9 -42 -25 32 3曰-17 -44
[0042]32 -9 -42 25 32 -38 -17 44
32 -25 -17 44 -32 -9 42 -38
32 -38 17 9 -3Ξ 44 -42 25
32 -44 42 -38 3Ξ -25 17 -9
]；
[0043]該變換過程的混合蝶形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0044]步驟1、完成蝶形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn):Y1=BnxnXX，所述的蝶形結(jié)構(gòu)如圖1所示，該蝶形結(jié)構(gòu)也可以是文獻(xiàn)[1]_[6]等的蝶形結(jié)構(gòu)。所述的蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣Bnxn如下所示；
B TVxTV —[
32 45 42 3 6 32 26 17 11
32 39 17 -6 -32 -44 -42 -25
32 25 -17 -44 -32 6 42 39
「…η32 11 -42 -26 32 36 -17 -45 [0045]
32 -11 -42 26 3Ξ -36 -17 45
3Ξ -Ξ5 —17 44 —3Ξ -6 42 -39
32 -39 17 6 -3Ξ 44 -42 25
32 -45 42 -36 32 -26 17 -11
];
[0046]步驟2、完成補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn):Y2=RnxnXX，所述的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述的蝶形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整數(shù)矩陣Rnxn如下所示。要求矩陣Rnxn是一個非零矩陣，且矩陣中任何元素的絕對值不能超過α，α〈β ;所述的β是一個人為設(shè)定的整數(shù)，此處β=5。
R =[
0-1 O 2 O -1 0-2
0-10-30000
□ 000030 -1
? 0-2 010201
[0047]
L J 0 2 0 -1 0 -2 0 -100000-3 01
010 30000
0 10-20102
]；
[0048]步驟3、將蝶形結(jié)構(gòu)的結(jié)果和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的結(jié)果相加得到最終結(jié)果:Y=Y1+Y2。最終整個混合蝶形結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0049]注:上述步驟I和步驟2可以互換，也可以同時完成。
[0050]實(shí)施例2
[0051]以下述Ν=8的變換矩陣Cnxn為例，變換過程為Y=CnxnXX,其中X是待變換的NX I的向量，Y是變換后的NXl的向量。該變換過程無等價的蝶形結(jié)構(gòu)，只有部分蝶形結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字信號處理中的變換的方法，其特征在于，包括以下步驟: (O實(shí)現(xiàn)蝶形結(jié)構(gòu)的變換YI=BnxnXX和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的變換Y2=RnxnXX ;所述的X是待變換的NXl向量；所述的Yl是蝶形結(jié)構(gòu)變換后的向量；所述的Y2是補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換后的向量；所述的Bnxn和Rnxn均為NXN的整數(shù)矩陣；所述的N是正整數(shù)。 (2)將Yl和Y2相加得到Y(jié):Y=Y1+Y2 ;所述的Y是變換后的輸出向量。
2.如權(quán)利要求1所述的變換方法，其特征在于，所述的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換矩陣Rnxn是一個非零矩陣，且矩陣中任何元素的絕對值不能超過α，α <β。
3.如權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換矩陣Rnxn，其特征還在于包括:β是一個整數(shù)。
4.一種數(shù)字信號處理中的變換的裝置，其特征在于，包括:蝶形結(jié)構(gòu)單元、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)單元與求和單元；所述的蝶形結(jié)構(gòu)單元輸入為待變換的向量X，輸出為蝶形結(jié)構(gòu)變換后的向量Yl ;所述的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)單元輸入為待變換的向量X，輸出為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)變換后的向量Υ2 ;所述的求和單元其輸入為Yl和Υ2，輸出為變換后的向量Y。
【文檔編號】G06F17/16GK103488614SQ201310435167
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】虞露, 王思龍, 朱興國 申請人:浙江大學(xué)