[论文解读] DCT-like Transform for Image and Video Compression Requires 10 Additions Only.

Renato J. Cintra, Fábio M. Bayer+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Digital Filter Design and Implementation参考文献 31被引用 5

一句话总结

本文提出了一种无乘法器、仅使用10次加法的8点DCT近似方法，用于图像和视频压缩，在性能上与最先进的方法相当。在45纳米CMOS工艺下实现，时钟频率达255 MHz，8×8块处理速率达31.875 MHz，在HEVC中对8位RGB视频的最高处理频率可达327 Hz，图像失真可忽略不计。

ABSTRACT

A multiplierless pruned approximate 8-point discrete cosine transform (DCT) requiring only 10 additions is introduced. The proposed algorithm was assessed in image and video compression, showing competitive performance with state-of-the-art methods. Digital implementation in 45 nm CMOS technology up to place-and-route level indicates clock speed of 255 MHz at a 1.1 V supply. The 8x8 block rate is 31.875 MHz.The DCT approximation was embedded into HEVC reference software; resulting video frames, at up to 327 Hz for 8-bit RGB HEVC, presented negligible image degradation.

研究动机与目标

• 设计一种低复杂度的DCT近似方法，完全避免使用乘法器，以实现高效的硬件实现。
• 在保持高保真度的同时，降低图像和视频压缩中的计算复杂度。
• 通过最小化算术运算，实现在硬件中实现高时钟频率和高效吞吐量。
• 将DCT近似方法集成到HEVC中，实现实时视频编码，且视觉失真极小。
• 使用标准测试序列，在图像和视频压缩中评估性能。

提出的方法

• 设计一种剪枝的、仅使用10次加法的近似8点DCT，完全避免使用乘法器。
• 应用数学变换推导出一种类似DCT的基函数，以在最小误差下保持能量集中特性。
• 通过近似技术优化变换系数，以最小化计算成本。
• 在45纳米CMOS工艺下实现该算法，直至布局布线阶段，用于硬件评估。
• 将DCT近似方法集成到HEVC参考软件中，进行端到端视频压缩测试。
• 使用标准视频序列，在真实编码条件下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用10次加法设计出DCT近似方法，同时保持具有竞争力的压缩性能？
• RQ2 与最先进的方法相比，所提出的DCT近似在图像和视频质量方面表现如何？
• RQ3 在真实硅基实现中，该DCT近似可达到的时钟频率和吞吐量是多少？
• RQ4 该DCT近似在HEVC编码视频中引入的视觉伪影程度如何？
• RQ5 该DCT近似能否在现有HEVC软件中高效集成，且修改量极小？

主要发现

• 所提出的DCT近似仅使用10次加法，即可实现具有竞争力的图像和视频压缩性能，完全避免了乘法器的使用。
• 在45纳米CMOS工艺下实现，时钟频率达255 MHz，供电电压为1.1 V。
• 8×8块处理速率可达31.875 MHz，支持高吞吐量压缩。
• 当嵌入HEVC参考软件后，该方法在8位RGB视频中支持最高327 Hz的视频编码，且图像失真可忽略不计。
• 尽管算术结构简化，该变换仍保持了高能量集中特性和编码效率。
• 该方法在视频和图像压缩系统中，展现出在低功耗、高速应用方面的强大潜力。