高性能運動估計補償結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計.pdf

1、信息時代，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)字視頻點播、無線多媒體通信等成為新的研究熱點。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域壓縮混合的編碼方案，時域壓縮技術(shù)主要指運動估計和運動補償，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，但同時也帶來了計算復(fù)雜度和存儲訪問量高的問題。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，針對計算和存儲訪問，主要研究內(nèi)容為高性能標(biāo)高清實時編解碼中多尺寸塊運動估計結(jié)構(gòu)研究及運動補償結(jié)構(gòu)研究和實現(xiàn)。論文具體內(nèi)容如下：
　　首先，確定適合變尺寸塊運動估計結(jié)構(gòu)的映射方式。多年來運動估計結(jié)構(gòu)一直是研究的熱點。但新制定的高性能編碼標(biāo)準(zhǔn)引入變尺寸塊運動估計算法，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，將運動估計結(jié)構(gòu)分為6類，并通過分析得出其中最適合變尺寸塊運動估計的映射類型，命名為SFG-II。SFG-II的優(yōu)點是所有PE在鄰近時間內(nèi)計算同一個候選塊，對候選塊子塊的SAD值不需要保存，因此節(jié)省了硬件開銷。
　　其次，基于硬件實現(xiàn)改進 AVS、AVC參考代碼 JM9.0和RM5.2c中變尺寸運動估計算法。參考代碼中運動向量預(yù)測和對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)域重用機制減少帶寬。因此，本文借鑒和提出了針對硬件實現(xiàn)的改進算法，并進行相關(guān)試驗。結(jié)果表明改進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帶寬。
　　第三，針對SFG-II時間最優(yōu)的脈動陣列和非脈動陣列結(jié)構(gòu)，本文通過提高處理單元（Process Element，PE）時鐘頻率、優(yōu)化數(shù)據(jù)流組織和雙時鐘設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的計算能力和性價比。PE是SFG-II型結(jié)構(gòu)

5、的關(guān)鍵路徑，本文對PE的設(shè)計進行了研究和分析，并給出了高頻率、高性價比的PE結(jié)構(gòu)。提出結(jié)構(gòu)的搜索區(qū)域 Buffer設(shè)計，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)運動估計計算量大于數(shù)據(jù)量的特點，本文采用2個時鐘域設(shè)計結(jié)構(gòu)并給出2個時鐘之間的關(guān)系。
　　第四，提出可實現(xiàn) AVS對稱模式搜索的運動估計結(jié)構(gòu)及多核陣列結(jié)構(gòu)。時間最優(yōu)的脈動陣列結(jié)構(gòu)中各計算任務(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，實現(xiàn) AVS中對稱模式匹配搜索。另外，采用非脈動陣列，本文進一步提出了多核陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保持了非脈動陣列結(jié)構(gòu)原有的效率不變，實現(xiàn)了高清1080i實時編碼。
　　最后，基于 AVS高清編碼器的實現(xiàn)，本文提出一個高性能 MC結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用2個機制提高數(shù)據(jù)讀取效率，一是請求與數(shù)據(jù)讀取并行機制，二是最小訪問塊機制。同時，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