一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，步骤为：压缩：将来自原始视频输入端的视频帧数据和来自处理内核的完成视频处理功能的视频帧数据进行分组，以形成待压缩块，并对每个待压缩块进行块内像素分组、预测、量化、反量化和像素重建、熵编码、码流打包、简化压缩处理以及压缩码流输出控制操作，得到压缩码流，并将压缩码流写到片外缓存中；解压缩：从片外缓存读取压缩码流，经过码流解析、熵解码、反量化、像素形成、简化压缩处理解码以及像素块复原处理后实时解码，形成解压后像素块，并将解压后像素块输出给处理内核和输出显示模块。本发明专利技术能大幅降低片外访存带宽，提升系统的数据吞吐率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视频处理领域，具体地，涉及一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法。
技术介绍
近年来，人们对高品质视觉享受的主观需求和半导体技术快速发展的客观条件共同促进了视频产业的蓬勃发展，高清2K，超高清4K、8K视频也快速产业化。超高清视频处理系统，如超高清电视后处理ASIC、超高清视频编解码器，一般都采用数据处理核心与外部动态存储器协同工作的架构。处理核心一般由ASIC或者协处理器实现，片外存储器用于存储大量的视频数据，处理核心需要频繁的访问外存。然而，在当前的工艺水平下，CMOS集成电路的速度存在极限，一直以来存储器访问速度的提升落后于逻辑电路，因此存储访问的带宽是制约系统性能的瓶颈。若通过增加片上存储单元来缓解此问题也会大幅度增加成本和芯片功耗。另一方面，频繁的访问外存也会带来能耗的大量提升。为了解决带宽和能耗瓶颈，压缩片外缓存数据是有效可行的办法。在这些应用中，一般要求高速、实时的完成编解码过程；要求帧随机访问，甚至帧内像素块的随机访问；要求无损或者极小的压缩损失，却又不强调高压缩比。这些特性都是通用编解码器无法满足的。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，以实现超高清视频处理系统片外访存带宽大幅降低，数据吞吐率大幅提升。为实现以上目的，本专利技术提供一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，所述方法包括：第一步、压缩：将来自原始视频输入端的视频帧数据和来自处理内核的完成视频处理功能的视频帧数据进行分组，以形成待压缩块，并对每个待压缩块进行块内像素分组、预测、量化、反量化和像素重建、熵编码、码流打包、简化压缩处理以及压缩码流输出控制操作，得到压缩码流，并将压缩码流写到片外缓存中；第二步、解压缩：从片外缓存请求并接收压缩码流，将压缩码流经过码流解析、熵解码、反量化、像素形成、简化压缩处理解码及像素块复原处理后实时解码，形成解压后像素块，并将解压后像素块输出给处理内核和输出显示模块。优选地：所述第一步，具体实现如下：S11、压缩块形成将来自原始视频输入端及处理内核的待压缩视频帧数据拆分为若干小的子块，形成多个独立的待压缩块；S12、预测将S11每个待压缩块中的像素进行分组，然后以组为单位进行预测与残差处理，获得待压缩块中每个像素的残差；S13、量化将S12待压缩块中像素的残差经过量化处理，获得待压缩块中像素的量化后残差；S14、反量化和像素重建将S13待压缩块中像素的量化后残差进行反量化处理和像素重建过程，获得像素的重建值，供S12预测时使用(S12中当前像素的预测值由待压缩块内已处理像素重建值经预测处理获得)。S15、熵编码将S13待压缩块中像素的量化后残差进行熵编码，得到熵编码后像素残差；编码过程中编码阶数按组划分，每组内所有像素的编码阶数相同，不同组的编码阶数可以固定也可以自适应调整；S16、码流打包按照S15熵编码后像素残差按组依次进行打包处理，每组熵编码后像素残差值打包成一个打包后子码流；S17、简化压缩处理在满足压缩率要求的约束下，对待压缩块进行简单的压缩处理；S18、压缩码流输出控制根据S16打包后子码流及S17简化压缩处理形成的压缩码流，在压缩率约束下，控制压缩码流的形成及长度，形成待压缩块的压缩码流，并将此压缩码流输出。更优选地，所述的第一步中，压缩的数据来源包括：来自原始视频输入端的视频帧数据和来自处理内核的完成视频处理功能的视频帧数据，所述视频处理功能，如超高清视频帧率上变换、视频去噪、视频后处理等。更优选地，所述的S11中，待压缩块是指：单独进行压缩，不依赖周围视频帧信息，形成一个码流的视频像素块。更优选地，所述的S13中，每组量化系数可固定，也可自适应调整。更优选地，所述的S18中，所述的压缩码流输出控制，具体过程如下：S181：检测每个打包后子码流的长度；S182：若某组打包后子码流的长度大于传输像素原始值的长度，则在形成压缩码流时舍弃打包后子码流，转而使用该组像素的原始像素值的高8位；否则，使用打包后子码流；S183：在完成S181、S182之后，得到候选压缩码流的长度；若候选压缩码流的长度不满足压缩率要求，则舍弃该候选压缩码流，选择简化压缩处理的结果形成压缩码流；否则使用此候选码流作为压缩码流。优选地：所述第二步，具体实现如下：S21、码流解析将来自片外缓存的压缩码流解析成各个独立的经过熵编码的像素残差值；S22、熵解码将S21经过熵编码的像素残差值进行解码处理，获得解码后的像素残差值；S23、反量化将S22解码后的像素残差值进行反量化处理，获得反量化后的像素残差值；S24、像素形成包含当前像素预测值和重建像素值计算：在一个压缩码流内部，已获得的重建像素值经过S12中的预测处理，可以得到当前像素的预测值；将S23反量化后的像素残差值加上像素预测值，得到重建像素值；S25、简化压缩处理解码若来自片外缓存的压缩码流是第一步中简化压缩处理形成的码流，则进行简化压缩处理解码将此码流解码，得到解码后的重建像素值；S26、像素块复原将S24得到的重建像素值进行组装，得到候选解压后像素块；若来自片外缓存的压缩码流是第一步中简化压缩处理形成的码流，则舍弃此候选解压后像素块，使用S25解码后得到的重建像素值，组装形成最终的解压后像素块；否则使用候选解压后像素块作为最终的解压后像素块。更优选地，所述的S24中，使用已得到的重建像素值经过与第一步中S12相同的预测过程，得到当前像素的预测值。本专利技术中：在预测时进行分组，并且以组为单位进行后续的处理，每个待压缩块独立压缩，不依赖其他信息，因此在解码端仅通过压缩码流信息，就可复原出像素；压缩率固定，因此可做到压缩块的随机读取访问。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1实时压缩来自原始视频输入和处理内核的视频帧数据，然后再写入片外缓存，从而降低片外存储器写带宽；2实时解压缩压缩码流，然后再输出给内核处理模块和视频输出显示模块，从而降低片外存储器读带宽；3每个压缩块独立进行压缩和解压缩，且每个压缩块可以设置固定压缩比，因此可以实现压缩块的随机访问；4可以根据内核处理模块的数据读取特点，灵活的设置压缩块的大小与形状，减少数据重复读取，提高读写效率；...

【技术保护点】
一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征在于：所述方法包括：第一步、压缩：将来自原始视频输入端的视频帧数据和来自处理内核的完成视频处理功能的视频帧数据进行分组，以形成待压缩块，并对每个待压缩块进行块内像素分组、预测、量化、反量化和像素重建、熵编码、码流打包、简化压缩处理以及压缩码流输出控制操作，得到压缩码流，并将压缩码流写到片外缓存中；第二步、解压缩：从片外缓存请求并接收压缩码流，将压缩码流经过码流解析、熵解码、反量化、像素形成、简化压缩处理解码及像素块复原处理后实时解码，形成解压后像素块，并将解压后像素块输出给处理内核和输出显示模块。

【技术特征摘要】
1.一种用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征在于：所述方法包
括：
第一步、压缩：将来自原始视频输入端的视频帧数据和来自处理内核的完成视频处
理功能的视频帧数据进行分组，以形成待压缩块，并对每个待压缩块进行块内像素分组、
预测、量化、反量化和像素重建、熵编码、码流打包、简化压缩处理以及压缩码流输出
控制操作，得到压缩码流，并将压缩码流写到片外缓存中；
第二步、解压缩：从片外缓存请求并接收压缩码流，将压缩码流经过码流解析、熵
解码、反量化、像素形成、简化压缩处理解码及像素块复原处理后实时解码，形成解压
后像素块，并将解压后像素块输出给处理内核和输出显示模块。
2.根据权利要求1所述的用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征
在于：所述第一步，具体实现如下：
S11、压缩块形成
将来自原始视频输入端及处理内核的待压缩视频帧数据拆分为若干小的子块，
形成多个独立的待压缩块；
S12、预测
将S11每个待压缩块中的像素进行分组，然后以组为单位进行预测与残差处理，
获得待压缩块中每个像素的残差；
S13、量化
将S12待压缩块中像素的残差经过量化处理，获得待压缩块中像素的量化后残
差；
S14、反量化和像素重建
将S13待压缩块中像素的量化后残差进行反量化处理和像素重建过程，获得像素的
重建值，供S12预测时使用；
S15、熵编码
将S13待压缩块中像素的量化后残差进行熵编码，得到熵编码后像素残差；编
码过程中编码阶数按组划分，每组内所有像素的编码阶数相同；
S16、码流打包
按照S15熵编码后像素残差按组依次进行打包处理，每组熵编码后像素残差值

\t打包成一个打包后子码流；
S17、简化压缩处理
在满足压缩率要求的约束下，对待压缩块进行简单的压缩处理；
S18、压缩码流输出控制
根据S16打包后子码流及S17简化压缩处理形成的压缩码流，在压缩率要求下，
形成待压缩块的压缩码流，并将此压缩码流输出。
3.根据权利要求2所述的用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征
在于：所述的S11中，待压缩块是指：单独进行压缩，不依赖周围视频帧信息，形成一
个码流的视频像素块。
4.根据权利要求2所述的用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征
在于：所述的S13中，每组量化系数为固定或者自适应调整。
5.根据权利要求2所述的用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征
在于：所述的S18中，所述的压缩码流输出控制，具体过程如下：
S181：检测每个打包后子码流的长度；
S182：若某组打包后子码流的长度大于传输像素原始值的长度，则在形成压缩码流
时舍弃打包后子码流，转而使用该组像素的原始像素值的高8位；否则，使用打包后子
码流；
S183：在完成S181、S182之后，得到候选压缩码流的长度；若候选压缩码流的长
度不满足压缩率要求，则舍弃该候选压缩码流，选择S17简化压缩处理的结果形成压缩
码流；否则使用此候选码流作为压缩码流。
6.根据权利要求2所述的用于超高清视频处理系统的片外缓存压缩方法，其特征
在于：所述的S12中：
将128个待压缩像素分成group_6x1、group_4x2、group_8x2、group_1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立，薛培培，高志勇，张小云，郭勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31