高性能運(yùn)動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計(jì).pdf

1、信息時(shí)代，隨著多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)和集成電路工業(yè)的迅猛發(fā)展，與數(shù)字視頻相關(guān)的應(yīng)用場景如數(shù)字電視廣播、網(wǎng)絡(luò)電視、數(shù)字視頻點(diǎn)播、無線多媒體通信等成為新的研究熱點(diǎn)。近年來國際上新制定的AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) AVS數(shù)字音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)得到了多媒體工業(yè)界的高度重視，必將引發(fā)多媒體產(chǎn)業(yè)中一場新的變革。視頻編碼技術(shù)采用的是基于空域壓縮和時(shí)域壓縮混合的編碼方案，時(shí)域壓縮技術(shù)主要指運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，它能夠有效去除視頻序列幀間的冗余信息，

2、達(dá)到很高的編碼效率，但同時(shí)也帶來了計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)訪問量高的問題。這些問題在AVC和AVS標(biāo)準(zhǔn)中顯得更加突出。
　　本文基于高性能編碼標(biāo)準(zhǔn) AVC和AVS，針對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)訪問，主要研究內(nèi)容為高性能標(biāo)高清實(shí)時(shí)編解碼中多尺寸塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)構(gòu)研究及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)研究和實(shí)現(xiàn)。論文具體內(nèi)容如下：
　　首先，確定適合變尺寸塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)構(gòu)的映射方式。多年來運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)構(gòu)一直是研究的熱點(diǎn)。但新制定的高性能編碼標(biāo)準(zhǔn)引入變尺寸塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，這使得一

3、些原有的結(jié)構(gòu)不再適合新的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過數(shù)據(jù)依賴圖理論，將運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)構(gòu)分為6類，并通過分析得出其中最適合變尺寸塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)的映射類型，命名為SFG-II。SFG-II的優(yōu)點(diǎn)是所有PE在鄰近時(shí)間內(nèi)計(jì)算同一個(gè)候選塊，對(duì)候選塊子塊的SAD值不需要保存，因此節(jié)省了硬件開銷。
　　其次，基于硬件實(shí)現(xiàn)改進(jìn) AVS、AVC參考代碼 JM9.0和RM5.2c中變尺寸運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法。參考代碼中運(yùn)動(dòng)向量預(yù)測和對(duì)稱模式算法存在緊密的數(shù)據(jù)相關(guān)，并行度低且無法采

4、用高效流水結(jié)構(gòu)。搜索中心位置隨宏塊位置而變化，不能采用搜索區(qū)域重用機(jī)制減少帶寬。因此，本文借鑒和提出了針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)算法，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明改進(jìn)算法在不影響編碼性能和質(zhì)量的情況下，提高了并行度且降低了存儲(chǔ)帶寬。
　　第三，針對(duì)SFG-II時(shí)間最優(yōu)的脈動(dòng)陣列和非脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)，本文通過提高處理單元（Process Element，PE）時(shí)鐘頻率、優(yōu)化數(shù)據(jù)流組織和雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的計(jì)算能力和性價(jià)比。PE是SFG-II型結(jié)構(gòu)

5、的關(guān)鍵路徑，本文對(duì)PE的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和分析，并給出了高頻率、高性價(jià)比的PE結(jié)構(gòu)。提出結(jié)構(gòu)的搜索區(qū)域 Buffer設(shè)計(jì)，在低硬件復(fù)雜度下提高陣列結(jié)構(gòu)流水效率，最終 PE利用率可達(dá)99.6％。根據(jù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)計(jì)算量大于數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，本文采用2個(gè)時(shí)鐘域設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并給出2個(gè)時(shí)鐘之間的關(guān)系。
　　第四，提出可實(shí)現(xiàn) AVS對(duì)稱模式搜索的運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)構(gòu)及多核陣列結(jié)構(gòu)。時(shí)間最優(yōu)的脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)中各計(jì)算任務(wù)間沒有依賴關(guān)系可以任意調(diào)度順序，因此本文在該結(jié)構(gòu)基

6、礎(chǔ)上，通過增加 FIFO和任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn) AVS中對(duì)稱模式匹配搜索。另外，采用非脈動(dòng)陣列，本文進(jìn)一步提出了多核陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保持了非脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)原有的效率不變，實(shí)現(xiàn)了高清1080i實(shí)時(shí)編碼。
　　最后，基于 AVS高清編碼器的實(shí)現(xiàn)，本文提出一個(gè)高性能 MC結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用2個(gè)機(jī)制提高數(shù)據(jù)讀取效率，一是請(qǐng)求與數(shù)據(jù)讀取并行機(jī)制，二是最小訪問塊機(jī)制。同時(shí)，本文提出了像素插值結(jié)構(gòu)和空域 Buffer結(jié)構(gòu)。像素插值結(jié)構(gòu)采用2維寄存器陣