AVS 運(yùn)動補(bǔ)償電路的VLSI 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
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摘要:
提出了一種基于AVS 標(biāo)準(zhǔn)的高效的運(yùn)動補(bǔ)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動補(bǔ)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(shí)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(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)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(yùn)動補(bǔ)償解碼過程進(jìn)行深入分析,并提出了與其算法相適應(yīng)的運(yùn)動補(bǔ)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(yùn)動補(bǔ)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(yùn)動補(bǔ)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(yùn)動矢量、按照運(yùn)動矢量的指示進(jìn)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(jìn)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(dú)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(yùn)動估計,但并未像H. 264 一樣進(jìn)行更細(xì)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(yùn)算復(fù)雜度。
AVS 充分利用了圖像的運(yùn)動連續(xù)性,對雙向預(yù)測分兩種模式進(jìn)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(yùn)動矢量獲得,而后向運(yùn)動矢量由前向運(yùn)動矢量通過一定的對稱規(guī)則獲得,從而節(jié)省了后向運(yùn)動矢量的編碼開銷;在直接模式中,前向和后向運(yùn)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(yùn)動矢量獲得,不需要傳送運(yùn)動矢量差值,從而也提高了編碼效率。
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2 AVS 運(yùn)動補(bǔ)償處理器的VLSI 結(jié)構(gòu)設(shè)計
2. 1 運(yùn)動補(bǔ)償處理器整體結(jié)構(gòu)
分析AVS 的解碼算法,其運(yùn)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(yùn)動補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了高清圖像的實(shí)時解碼。其中,MV Generation 根據(jù)Parser 解出的宏塊信息來產(chǎn)生運(yùn)動補(bǔ)償過程所需要的運(yùn)動矢量;MC Controller 根據(jù)得到的運(yùn)動矢量從參考幀讀取相應(yīng)的參考像素并總體控制運(yùn)動補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行; Interpolation 完成非整數(shù)像素點(diǎn)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。
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2. 2 MC Controller 的流水控制
在運(yùn)動補(bǔ)償過程中,運(yùn)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(yùn)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(yùn)動補(bǔ)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(yùn)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(fèi)。
對此本文采用8 ×8 子塊級的流水線結(jié)構(gòu),通過握手機(jī)制對運(yùn)動矢量的生成,參考像素的讀取,插值計算和加權(quán)進(jìn)行調(diào)度,有效的降低了各模塊間因等待造成的時鐘浪費(fèi)。
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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(jìn)行運(yùn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。
于是,將各種宏塊劃分的運(yùn)動矢量均統(tǒng)一到8 ×8的塊上,對于運(yùn)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(yùn)動矢量時,可不必考慮相鄰宏塊的劃分類型,只需一套運(yùn)動矢量生成電路就可以實(shí)現(xiàn)各種劃分方式的宏塊的運(yùn)動矢量的計算和存儲,簡化了運(yùn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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。
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2. 4 1P4 像素亮度差值器
為了更加逼近實(shí)際圖像的運(yùn)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(shí)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(shí)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(jìn)行插值操作。巨大的計算量給亮度插值器的VLSI實(shí)現(xiàn)帶來了一個難題,即如何在保證視頻解碼實(shí)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。
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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(yùn)動補(bǔ)償模塊進(jìn)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(yùn)動補(bǔ)償設(shè)計進(jìn)行綜合,選用Virtex4 XC4VLX80 器件,在速度選擇為- 10 的條件下,可綜合達(dá)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(yùn)動補(bǔ)償占用的時鐘周期,不僅充分滿足了實(shí)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(shí)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(yùn)動補(bǔ)償算法進(jìn)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(shí)現(xiàn)高清視頻的實(shí)時解碼,又合理的控制硬件資源的使用量。
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