AVS 運動補償電路的VLSI 設(shè)計與實現(xiàn)

作者：時間：2007-11-09 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要:

本文引用地址：http://m.ptau.cn/article/258727.htm

提出了一種基于AVS 標(biāo)準(zhǔn)的高效的運動補償電路硬件結(jié)構(gòu), 該設(shè)計采用了8 ×8 塊級流水線操作, 運動矢量歸一化處理和插值濾波器組保證了流水線的高效運行以及硬件資源的最優(yōu)利用。采用Verilog 語言完成了VLSI 設(shè)計, 并通過EDA 軟件給出仿真和綜合結(jié)果。

關(guān)鍵詞:

運動補償; 流水線; AVS

0 　引言

AVS 標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組(AVS 工作組) 制定的數(shù)字音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),其視頻部分已于2006 年2 月份被信產(chǎn)部頒布為國家標(biāo)準(zhǔn),于2006 年3 月1 日起實施。該標(biāo)準(zhǔn)主要面向高清晰度和高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲媒體和其他相關(guān)應(yīng)用。

運動估計和運動補償是AVS 中去除時間冗余的主要方法,它采用多種宏塊劃分方式,1P4 像素插值、雙向估計和多參考幀等技術(shù)大大提高了編碼效率,但同時也給編解碼器增加了一定的復(fù)雜度。本文針對AVS 所特有的運動補償解碼過程進行深入分析,并提出了與其算法相適應(yīng)的運動補償電路的設(shè)計方案,電路采用Verilog 語言描述,并給出了綜合和仿真的結(jié)果。

1 　AVS 運動補償關(guān)鍵技術(shù)分析研究

與其他視頻編解碼算法相類似,AVS 的運動補償技術(shù)主要涉及三個步驟:通過比特流中的相關(guān)信息計算運動矢量、按照運動矢量的指示進行地址轉(zhuǎn)換從MIU 中讀取參考像素值、通過參考像素值對當(dāng)前解碼塊進行預(yù)測。同時,作為一種高效率的視頻壓縮算法,AVS 也有其獨特的技術(shù)特征。

AVS 共有4 種宏塊劃分類型:16 ×16 ,16 ×8 ,8 ×16和8 ×8 ,比MPEG- 2 增加了8 ×8 大小塊的運動估計,但并未像H. 264 一樣進行更細一級到4x4 塊的劃分;同時AVS 支持的最大參考幀數(shù)為2 幀,而不是MPEG- 4PH. 264 的16 幀,這些都使得AVS 既保證了一定的數(shù)據(jù)壓縮率,又控制了運算復(fù)雜度。

AVS 充分利用了圖像的運動連續(xù)性,對雙向預(yù)測分兩種模式進行處理:對稱模式和直接模式。在對稱模式中,前向矢量由當(dāng)前圖像中空間相鄰塊的運動矢量獲得,而后向運動矢量由前向運動矢量通過一定的對稱規(guī)則獲得,從而節(jié)省了后向運動矢量的編碼開銷;在直接模式中,前向和后向運動矢量都是由后向參考圖像中相應(yīng)位置的時間相鄰塊的運動矢量獲得,不需要傳送運動矢量差值,從而也提高了編碼效率。

AVS 對亮度和色度的運動矢量分別達到1P4 和1P8 的精度,在運動補償過程中需要進行相應(yīng)的插值計算。對于像素的亮度值,圖1 給出了參考圖像整數(shù)樣本、二分之一樣本和四分之一樣本的位置,其中用大寫字母標(biāo)記的為整數(shù)樣本的位置,用小寫字母標(biāo)記的為二分之一樣本和四分之一樣本的位置。二分之一樣本位置的預(yù)測值通過4 抽頭濾波器[ - 1 ,5 ,5 , - 1 ]計算得到,四分之一樣本位置的預(yù)測值通過4 抽頭濾波器[1 ,7 ,7 ,1 ]計算得到。

2 　AVS 運動補償處理器的VLSI 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2. 1 　運動補償處理器整體結(jié)構(gòu)

分析AVS 的解碼算法,其運動矢量的計算,參考像素的讀取以及插值的計算三個部分計算量相當(dāng),于是該運動補償結(jié)構(gòu)相應(yīng)的包括三個主要功能模塊:MV Generation ,MC Controller 和Interpolation ,整個解碼器通過三個模塊的并行流水操作完成,從而實現(xiàn)了高清圖像的實時解碼。其中,MV Generation 根據(jù)Parser 解出的宏塊信息來產(chǎn)生運動補償過程所需要的運動矢量;MC Controller 根據(jù)得到的運動矢量從參考幀讀取相應(yīng)的參考像素并總體控制運動補償?shù)倪M行; Interpolation 完成非整數(shù)像素點的插值以及加權(quán)平均等一系列后處理操作,并將結(jié)果輸出給Reconstruct 模塊。

本運動補償模塊中,RAM 用來存放當(dāng)前圖像中空間相鄰塊的運動矢量參考值,Cache1 和Cache2 中存放從MIU 中讀入的參考像素點,而相鄰圖像的運動矢量和像素信息都存放在片外DDR 中,通過MIU Stub for MV 和MIU Stub for Controller 對其進行訪問。

2. 2 　MC Controller 的流水控制

在運動補償過程中,運動矢量的計算,MIU 訪問地址的轉(zhuǎn)換以及像素的插值之間具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)依賴特性,并且,運動矢量的生成時間以及向MIU 響應(yīng)時間均無法確定,導(dǎo)致運動補償存在嚴(yán)重的等待問題。如果對每個宏塊都依次采用生成運動矢量、讀取參考像素、插值計算三個步驟,將會形成非常嚴(yán)重的時鐘浪費。

對此本文采用8 ×8 子塊級的流水線結(jié)構(gòu),通過握手機制對運動矢量的生成,參考像素的讀取,插值計算和加權(quán)進行調(diào)度,有效的降低了各模塊間因等待造成的時鐘浪費。

如圖3 所示, 每次收到MC 的開始信號,MV Generation 依次給出四個8 ×8 子塊的運動矢量,MC Controller 等待MV Generation 給出的運動矢量有效后開始對MIU 進行訪問,讀取預(yù)測當(dāng)前8 ×8 子塊所需要的參考像素,參考像素讀取完畢后再開始進行當(dāng)前8 ×8 子塊的插值計算以及加權(quán)。為了提高數(shù)據(jù)的讀取效率,本文調(diào)用兩個Cache 采取乒乓的算法存儲參考像素,所以圖3 中,3 號子塊數(shù)據(jù)的讀取要等待1 號塊的參考數(shù)據(jù)全部用完再進行。

2. 3 　MV Generation 的歸一化設(shè)計

AVS 支持16 ×16 ,16 ×8 ,8 ×16 和8 ×8 共四種宏塊劃分,靈活的宏塊劃分方式大大提高了AVS 的壓縮率。但由于當(dāng)前宏塊及其相鄰宏塊的劃分均沒有一定的規(guī)律可循,如果依據(jù)常規(guī)宏塊的劃分規(guī)則進行運動矢量的存儲,則不僅要記錄當(dāng)前宏塊的宏塊劃分,還要記錄其相鄰宏塊的宏塊劃分,增加了硬件的實現(xiàn)復(fù)雜度。

于是,將各種宏塊劃分的運動矢量均統(tǒng)一到8 ×8的塊上,對于運動矢量的生成和存儲均采用8 ×8 的塊為一個最小單位。對于16 ×16 ,16 ×8 ,8 ×16 的宏塊,令劃分在同一塊內(nèi)的8 ×8 子塊共用一個計算結(jié)果,從而讀取參考塊的運動矢量時,可不必考慮相鄰宏塊的劃分類型,只需一套運動矢量生成電路就可以實現(xiàn)各種劃分方式的宏塊的運動矢量的計算和存儲,簡化了運動矢量生成電路的設(shè)計和控制,其總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

為了實現(xiàn)流水作業(yè),這里對所有類型的宏塊中的四個8 ×8 塊按照左上、右上、左下和右下的順序從0 進行編號。首先,預(yù)處理模塊根據(jù)當(dāng)前宏塊的宏塊類型和幀類型對宏塊的劃分類型進行判斷,頂層計數(shù)模塊給出當(dāng)前解碼8 ×8 子塊的子塊號。

為了減少計算量提高解碼速度,對不同劃分方式的宏塊進行選擇式解碼,對于16 ×16 宏塊,只解碼0 號子塊,對于16 ×8 宏塊解碼0 ,2 號子塊,對于8 ×16 宏塊解碼0 ,1 號子塊,對于8 ×8 宏塊則進行0～3 號子塊的全解碼。然后計算結(jié)果存儲模塊再根據(jù)當(dāng)前的宏塊劃分以及當(dāng)前的8 ×8 解碼子塊號把計算結(jié)果分給其他與其具有相同運動矢量的8 ×8 子塊。從而實現(xiàn)了運動矢量的高效計算。

2. 4 　1P4 像素亮度差值器

為了更加逼近實際圖像的運動效果,AVS 采用了特有的1P4 精度的亮度預(yù)測。但分?jǐn)?shù)像素插值在提高圖像質(zhì)量的同時,也大大增加了計算的復(fù)雜度,這在VLSI 實現(xiàn)時直接表現(xiàn)為成本的上升和功耗的增加。例如在解碼每秒30 幀,1 920 ×1 080 像素的高清碼流時,為了保證視頻播放的實時性,最壞情況下每秒鐘需要對1 944 000 個8 ×8 像素的亮度塊進行插值操作。巨大的計算量給亮度插值器的VLSI實現(xiàn)帶來了一個難題,即如何在保證視頻解碼實時性的前提下,盡可能縮小芯片的面積并降低系統(tǒng)的時鐘頻率。

本文中亮度插值器采用了一種級數(shù)可變的流水線結(jié)構(gòu),首先將圖1 所示的分?jǐn)?shù)像素點分成五大類:整數(shù)像素點;b , s 類的水平1P2 像素點; h ,m 類的垂直1P2 像素點;j 類的1P2 像素點;1P4 像素點。針對不同目標(biāo)位置的插值需要,自動選擇4 到8 級流水線,執(zhí)行包括輸入數(shù)據(jù)延時,水平方向F1 濾波,垂直方向F1 濾波,J 點F1 濾波,數(shù)據(jù)整理,1P4 像素F2 濾波,輸出通路選擇和限幅的操作,使得數(shù)據(jù)的輸入,處理,輸出同時執(zhí)行,避免了空閑等待和存放中間變量的開銷。

其中F1 和F2 均為4 抽頭濾波,F1 濾波系數(shù)為3 　仿真試驗基于上述結(jié)構(gòu),本文完成了Verilog HDL 的RTL級描述,在modelsim5. 8 中對該運動補償模塊進行前仿,將testbench 中對MIU 的等待時間統(tǒng)一設(shè)為10 個時鐘周期,則P 幀每個宏塊需要120 到230 個時鐘周期不等,其中P skip 宏塊類型占用的時鐘最少,P8 ×8 宏塊占用的時鐘最多;B 幀中每個宏塊需要180 到490 個時鐘周期不等,其中B Direct 宏塊需要的時鐘最少,B8 ×8 雙向宏塊需要的時鐘最多。

另外,本文采用Synplify 為開發(fā)平臺對該運動補償設(shè)計進行綜合,選用Virtex4 XC4VLX80 器件,在速度選擇為- 10 的條件下,可綜合達到121. 1MHz ,共占用9 179個邏輯單元?？梢姳窘Y(jié)構(gòu)大大減少了視頻解碼過程中運動補償占用的時鐘周期,不僅充分滿足了實時解碼高清圖像的速度需求,而且有效的控制了硬件資源的使用量。

4 　結(jié)束語

在視頻實時解碼芯片的設(shè)計中,處理速度和硬件資源的占用是影響芯片性能的兩個關(guān)鍵性問題。

本文在對AVS 運動補償算法進行合理分析的基礎(chǔ)上,提出以上結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)既能夠高效的實現(xiàn)高清視頻的實時解碼,又合理的控制硬件資源的使用量。

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