運動估計算法的可重構VLSI結構研究與設計.pdf

1、近年來，作為多媒體核心的數(shù)字視頻技術得到了飛速發(fā)展。而運動估計（ME）算法及其實現(xiàn)技術作為諸多視頻壓縮標準實現(xiàn)的核心部分，在研究領域和業(yè)界引起極大的關注?？芍貥嬘嬎慵夹g的出現(xiàn)在算法的ASIC和軟件兩種傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式之間架起了一座橋梁，使用戶可以在性能與靈活性之間獲得較好的折中。本論文將重點討論基于可重構計算技術的ME算法的VLSI實現(xiàn)問題。
　　在介紹課題的總體背景后，對可重構計算技術、塊匹配算法（BMA）的研究現(xiàn)狀及其 VLSI

2、實現(xiàn)和BMA的可重構實現(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀等方面的課題相關技術做了詳盡介紹和深入探討。
　　本文的主要工作如下：
　　可變塊大小ME已被新的MPEG-4 AVC/H.264標準采納，而以往支持全搜索塊匹配算法（FSBMA）的結構并不適合可變塊大小計算。本文首先總結了可變塊大小 FSBMA的SAD匹配準則的求和規(guī)律并分析了AB2、AS2和全樹型三種典型結構在支持可變塊大小計算上存在的不足。在此基礎上，分別改進了AB2和AS2結構的SAD

3、求和過程以及全樹型結構的搜索區(qū)數(shù)據(jù)輸入方式和SAD求和順序，使三種改進后的結構可以同時計算 MPEG-4 AVC/H.264標準要求的7種塊大小的SAD，并且在計算較大塊的SAD時，可以充分利用較小塊 SAD的部分和。其中，改進的AB2和AS2結構保持原結構的搜索區(qū)數(shù)據(jù)流和處理能力不變；改進的全樹型結構盡管為了減少輸入數(shù)據(jù)寬度而相對原結構在性能上有所下降，但仍可獲得同 AB2結構相同的處理能力。
　　上述改進的AB2和全樹型結構相

4、對AS2在硬件規(guī)模上優(yōu)勢明顯，但是由于存在大量的無效計算致使 PE利用率僅為70％，處理能力遠低于 AS2，難以滿足高性能實時編碼要求。無效計算是由于結構中所采用的搜索區(qū)單方向掃描方式因換行（或列）而引起的。因此，為了提高 PE利用率，本文提出了可以消除無效計算的、具有三種方向的搜索區(qū)掃描方式。在改進全樹型結構的基礎上，提出了支持上述掃描方式的動態(tài)可重構運算陣列結構，在計算過程中可以獲得100%的PE利用率。針對搜索區(qū)數(shù)據(jù)流的特點，設計

5、了一種可擴展的可重構存儲結構。該結構采用多存儲體結合可重構的crossbar接口及串并轉(zhuǎn)換移位寄存器，可以向運算陣列并行輸出上述掃描方式中三種方向的數(shù)據(jù)流。通過增減存儲體的容量可以實現(xiàn)在外存訪問帶寬和搜索區(qū)數(shù)據(jù)利用率之間折中的緩存方案。采用TSMC0.18um CMOS工藝庫實現(xiàn)了上述可重構結構的電路。電路工作在180MHz的頻率下，可實時處理分辨率為1280×720的、45fps的視頻序列。
　　最后，本文對支持多種BMA的可重

6、構結構進行了深入研究，目的是在功耗受限應用中通過選擇不同的BMA來獲得視頻質(zhì)量、計算復雜度和功耗之間的多種折中。文中，首先基于 BMA在計算復雜度和功耗方面劃分的三個級別，提出了設計目標和結構的總體規(guī)劃。在此基礎上，詳細討論了可重構結構中的三個核心部分：可重構運算陣列（RCA）、可重構存儲結構和可重構地址產(chǎn)生單元。其中，RCA通過配置可以支持具有高、中、低三種計算復雜度的算法；可重構存儲結構通過可重構參考塊存儲陣列、可重構候選塊寄存器陣