工业级 ISP 常用压缩算法设计原理之三

一、两类轻量级压缩的共同设计原则

[二、子采样残差压缩（Subsampled Residual Compression）](#二、子采样残差压缩（Subsampled Residual Compression）)

[2.1 基本思想](#2.1 基本思想)

[2.2 典型结构：4:1 或 2:1 子采样预测](#2.2 典型结构：4:1 或 2:1 子采样预测)

流程（压缩）

流程（解压，支持随机访问）

[2.3 工业级特点](#2.3 工业级特点)

[2.4 为什么工业界爱用？](#2.4 为什么工业界爱用？)

[三、轻量级块压缩（Tile-based Lightweight Compression）](#三、轻量级块压缩（Tile-based Lightweight Compression）)

[3.1 核心思想](#3.1 核心思想)

[3.2 标准块大小（工业通用）](#3.2 标准块大小（工业通用）)

[3.3 预测方式（只保留最精简）](#3.3 预测方式（只保留最精简）)

[3.4 残差处理（轻量版）](#3.4 残差处理（轻量版）)

[3.5 块头格式（极短，工业标准）](#3.5 块头格式（极短，工业标准）)

[3.6 Bypass 机制（必备）](#3.6 Bypass 机制（必备）)

[3.7 解压流程（同样轻量）](#3.7 解压流程（同样轻量）)

[3.8 工业级特性](#3.8 工业级特性)

[四、两类轻量压缩与自适应位宽 ABD 的对比](#四、两类轻量压缩与自适应位宽 ABD 的对比)

五、真实工业落地组合（厂商常用）

[组合 1：轻量级 TBC + 运动 Bypass（联咏 / 海思低端）](#组合 1：轻量级 TBC + 运动 Bypass（联咏 / 海思低端）)

[组合 2：子采样残差 + 固定位宽（安霸 / 索尼低端）](#组合 2：子采样残差 + 固定位宽（安霸 / 索尼低端）)

[组合 3：TBC + 只压缩 Y 通道（全行业通用）](#组合 3：TBC + 只压缩 Y 通道（全行业通用）)

六、总结

两类更轻量、面积更小、延迟更低 、专门为帧缓存随机访问设计的压缩方案，是量产中使用最广泛的基础架构：

子采样残差压缩（Subsampled Residual Compression）
轻量级块压缩（Tile-based Lightweight Compression）

它们都严格遵守块独立、随机访问、固定延迟、无帧间依赖、带宽可预算 的 FBC 铁律，是海思、联咏、安霸、TI、地平线都在用的底层压缩技术。

下面做原理级、可工程落地的详细解析。

一、两类轻量级压缩的共同设计原则

所有工业级 ISP 轻量压缩都必须满足：

块独立（Tile Independent）：无跨块依赖，支持任意 (x,y) 随机读
低硬件成本：< 2k GE，无复杂运算
固定延迟：压缩 / 解压 ≤ 3~4 拍
固定最大块长：DDR 带宽可精确预算
近无损 / 可控有损：误差 ≤ 1 LSB
只使用空间预测：无运动补偿、无 CABAC/CAVLC
可读写（R/W）：支持部分更新，适合 ISP 回写

二、子采样残差压缩（Subsampled Residual Compression）

2.1 基本思想

**用低分辨率子采样图做预测，只存储残差，并对残差做轻量化压缩。**预测越准，残差越小，残差可使用更低位宽存储。

2.2 典型结构：4:1 或 2:1 子采样预测

最常用：2×2 子采样预测（硬件最简）

原始块：16×16 / 32×8
子采样：每行每 2 点取 1 点 ，或2×2 取 1 点
子采样图尺寸：原始 1/4 尺寸

流程（压缩）

块输入：取 16×16 块
子采样生成低分辨率基图 ：
- P_sub(x/2, y/2) = Orig(x,y) （简单采样，无滤波）
低分辨率基图压缩存储（位宽固定或自适应）
块内重建预测 ：
- 最近邻插值 / 双线性插值
- 得到预测块 Pred(x,y)
残差计算 ：
- Res = Orig − Pred
残差轻量化压缩 ：
- 固定位宽（2/4/6bit）
- 或简单自适应位宽
存储：子采样基图 + 残差

流程（解压，支持随机访问）

读取子采样基图 → 插值恢复预测
读取残差
输出：Orig = Pred + Res

2.3 工业级特点

硬件极简单：插值器 + 加法器 + 简单打包
延迟低：3~4 拍
压缩比：1.5~2.2x
块独立，支持随机访问
无块效应：插值预测平滑
适合：Y 通道缓存、WDR 短曝光帧、防抖参考帧

2.4 为什么工业界爱用？

比完整 ABD 面积小 30%~50%
延迟更短
随机访问友好
不会出现运动补偿类的误差扩散

三、轻量级块压缩（Tile-based Lightweight Compression）

这是联咏、海思、安霸低端系列、车载 DVR 中最常用的帧缓存压缩，也常被厂商内部称为：

TBC（Tile Based Compression）
LTC（Lightweight Tile Compression）
FBC Lite

3.1 核心思想

固定小块 + 极简 DPCM 预测 + 固定档位位宽打包 + 极短块头 完全为硬件最小面积、最低延迟设计。

3.2 标准块大小（工业通用）

8×8 、16×4 、16×8 其中 16×4 最适合 ISP 行流水，是量产绝对主流。

3.3 预测方式（只保留最精简）

只使用左向 DPCM，不使用多行预测，硬件最小：

Pred(x,y) = Pixel(x-1,y)

Res(x,y) = Pixel(x,y) - Pred(x,y)

每行独立预测
无跨行依赖
纯组合逻辑，0 拍延迟

3.4 残差处理（轻量版）

计算残差
取块内Min/Max（简化二叉树或串行统计）
计算 Range = Max − Min
从少量固定档位 中选择位宽：
- 常见档位：2bit / 4bit / 8bit（三档）
- 或：4bit / 8bit（两档）
残差归一化：
- Res_norm = Res - Min
按位宽bit-packing 紧凑打包

3.5 块头格式（极短，工业标准）

轻量 TBC 块头通常只有 8~10 bit：

cpp 复制代码

[2bit 模式位宽][6bit Min/Base]  → 共8bit

模式位宽：00=2bit，01=4bit，10=8bit，11=Bypass
Base：块残差最小值

3.6 Bypass 机制（必备）

Range 过大 → 直接 8bit 旁路存储
运动块 / 纹理块自动 Bypass
保证无误差扩散、无拖影

3.7 解压流程（同样轻量）

读块头 → 解析位宽模式 + Base
BitUnpack 恢复 Res_norm
Res = Res_norm + Base
IDPCM 重建：Pix(x,y) = Pix(x-1,y) + Res
输出像素

3.8 工业级特性

面积：< 2k GE
压缩延迟：2~3 拍
解压延迟：2 拍
压缩比：1.5~2.2x
块独立，支持随机访问
时序极易收敛
适合大批量低成本 SoC

四、两类轻量压缩与自适应位宽 ABD 的对比

特性	子采样残差压缩	轻量级块压缩 TBC	自适应位宽 ABD
硬件面积	极小	极小	中等
延迟	3~4 拍	2~3 拍	4~6 拍
压缩比	1.5~2.2x	1.5~2.2x	2.0~3.5x
预测方式	子采样插值	左向 DPCM	多级 DPCM
位宽档位	固定	2~3 档	4~6 档
块头长度	16bit	8~10bit	10~12bit
随机访问	支持	支持	支持
适用场景	WDR、防抖、RAW	车载 DVR、低成本 IPC	高端 3DNR、车载 ADAS

五、真实工业落地组合（厂商常用）

组合 1：轻量级 TBC + 运动 Bypass（联咏 / 海思低端）

静止块：TBC 压缩
运动块：直接 Bypass
目标：成本最低、运动无拖影

组合 2：子采样残差 + 固定位宽（安霸 / 索尼低端）

子采样预测降低残差能量
残差固定 4bit 打包
目标：硬件极简、高稳定性

组合 3：TBC + 只压缩 Y 通道（全行业通用）

Y：TBC 压缩
U/V：不压缩或低分辨率子采样
内存节省 ~50%

六、总结

工业级 ISP 中用于帧缓存随机访问的轻量压缩主要分为两类：

子采样残差压缩
- 低分辨率子采样图做预测
- 只存储残差
- 硬件简单、无块效应、随机访问友好
轻量级块压缩（Tile-based Compression）
- 固定小块（16×4 为主）
- 极简左向 DPCM
- 2~3 档固定位宽
- 极短块头（8bit）
- 面积最小、延迟最低

两类方案都不使用通用视频编码技术 ，严格遵守块独立、固定延迟、带宽可预算、随机访问 的 FBC 设计原则，是车载 DVR、安防 IPC、无人机、低成本影像设备 的标配压缩架构。