（信息与通信工程专业论文）视频编解码系统中的功能单元设计研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 随着信息数字化带来的数据量的急剧增加，数据压缩特别是视频信息编解码技术显得 越来越重要。在已有视频压缩标准中，新近视频压缩技术标准a v s 和h 2 6 4 a v c 有着较 高的压缩效率，同时也带来了实现代价的增加。 新近视频压缩标准所带来的高压缩率的优势来源于一系列新的视频处理技术的应用， 同时也使得其a s i c f p g a 实现代价增加。本文作者曾参与a v s 解码器和编码器项目，负 责插值、环路滤波和u s b 通信模块的设计与调试工作。基于这些经验，本文将以插值模 块为例讨论a i s c 设计方法。与h 2 6 4 a v c 采用6 抽头滤波器处理半象素点和双线性滤波 器处理1 4 位置点不同，a v s 标准采用4 抽头滤波器处理1 2 插值点和部分1 4 插值点， 这样的处理方式可以将数据带宽减少1 1 ，同时也带来了1 4 插值点的处理复杂度急剧增 加。本文设计了一种采用并行滤波器处理单元结构对不同位置点进行插值，数据通路清晰 并减少了控制复杂度。为了提高综合频率，本文提出了对滤波处理单元的改进，采用流水 线输入的竖直滤波嚣和改进的2 级对角滤波器可以大大缩短导致的延时路径。对于色度插 值，文中同样提出了一种并行处理结构，复用乘法器单元对每一行的参考数据处理进行2 级乘法实现。基于对参考数据相邻行之间的相关性分析，通过复用中间数据减少了运算所 需要的节拍数。针对双向参考插值，本文提出了串行处理的方法，以增加一个暂存r a n l 的 代价实现了输入数据存储和运算单元的减半。最后的实现结果表明这是一种具有较高处理 速度的高效插值结构。 视频编解码系统中不仅需要视频压缩，律 压缩单元，也需要其他辅助功能单元如图像输 入输出、码流输入输出以及片外数据存储单元等。文中介绍了一种采用e z - u s bf x 2 c y 7 c 6 8 0 1 3 实现视频编解码系统和p c 之间进行数据u s b 通信的码流输入输出单元。u s b 功能芯片工作于异步s l a v ef i f o 模式，视频压缩解压缩系统中的u s b 通信模块作为外部 主逻辑。u s b 通信采用块传输方式，可以提供高传输速度。实验结果表明u s b 通信单元 的性能可以满足a v s 编解码器的实时码流传送。 关键词：a v s ：插值；并行处理；流水线设计；u s b 浙江大学颂l 学位论文 a b s t r a c t w i t hh u g ed a t ai n c l u d e di nt h ed i g i t i z e di n f o r m a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ed a t a c o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l yt h ev i d e oc o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g y , b e c a m e s i m p o r t a n t w i t h i nt h ev i d e oc o d i n gs t a n d a r d s ，t h en e wg e n e r a t i o nc o d i n gs t a n d a r d sa v sa n d h 2 6 4 a v ch a v eh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o ，w i t ht h ec o s to f h i g hr e a l i z a t i o nc o m p l e x i t y t h ea d v a n t a g eo fi l c wg e n e r a t i o nc o d i n gs t a n d a r d st i e si nt h ea d v a n c e dc o d i n gt e c n i q u e s , a n dt h i sl e a d st od i f f i c u l t yt oa s i c f p g ar e a l i z a t i o n t h ew r i t e ro f o t i sp a p e rh a st a k e np a r ti n a v s d e c o d e r m a de n c o d e r p r o j e c t sa n d b e e n o n c h a r g e o f d e s i g n a n d d e b u g g i n g o f i n t e r p o h t i o n , i n - l o o pd e b l o c k i n ga n du s bc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s w i t ht h e s ee x p c l c i e n c e s ，t h i sp a p e rw i l l d i s c u s st h ea s i c & s i g nm e t h o d st a k i n gi n t e r p n l a t i o nm o d u l ef o rm e x a m p l e a v sc o d i n g s t a n d a r du s e s * t a pf i rf i l t e r st op r o c e s sb o t hh a l fp c l sa n dp a r to fq u a r t e rp c l sw h i c ha r e d i f f e r e n t f r o m 6 - t a p f i r f i l t e r s f o r h a l f p e l sa n d b i l i n e a r f i l t e r s f o r t h e q u a r t e r p e l s i n h 2 6 4 a v c t h i sl e a d st oa b o u t1 1 d e c r e a s e m e n to ft h e r e f e r e n c ed a t ab a n d w i d t h , h o w e v e r , i n c r e s e s c o m p u t a t i o n0 1o fs o m eq u a i n tp e l s as m l c t u r ew i t hp a r a l l e lh rf i l t e r st op r o c e s sd i f f e m a t s u b - p e lp o s i t i o n si sd e s i g n e d , t h a tm a k e st h ed a t ap a t hc l e a ra n dt h ec o m p l e x t yo ft h ec o n t r o l u n i td e c r e a s e d t oi m p r o v et h es y n t h e s i sf r e q u e n c y , c h a n g e sa t m a d et ot h ef i l t e rp r o c e s s i n g e l e m e n t w i t hp i p c l i n e dv e r t i c a lf i ra n dr e v i s e d2 - l e v e ld i a g o n a lf 风t h ec o r r e s p o n d i n gd e l a y p a t hc a nb es h o r t e n e d t op r o c e s sc h r o m ai n t e r p o h t i o n , ap a r a l l e ls t r u c t u r ew i t har e a l i z a t i o no f 2 - l e v e lm u l t i l 口i l i c a t i o n sf o re a c hr o wr e f e r e n c ed a t ai sp u to n , t h a tm a k e st h er e u s a g eo ft h e m n l r i l i c a t o r b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e f e r e n c ed a t ao ft h e n e i g h b o r i n gr o w s 。t h ec y c l e sn e e d e dq l ed e c r e a s e db yr e u s i n gt h ei n t e r m e d i a t ed a 饥t om e e tt h e r e q u i r e m e n to f t h eb i - d i r e e t i o n a lp r e d i c t i o n , ac a s c a d ep r o c e s s i n gs o l u t i o ni sp u to i lw i t hc o s to f a na d d i t i o n a lr a m t h ea r e ao ft h ei n p u td a t ao n - c h i pm e m o r ya n dt h ec o m p u t a t i o n a la r e a 锄 b eg r e a t l yd e c r e a s e d t h es y n t h e s i sl e s u l tu s m gd e s i g nc o m p i l e ra n dx i l i n xi s es h o w st h a ti t s a na r e a - e f f i c i e n ta r c h i t e c t u r ew i t hh i g h p r o c e s s i n gs p e e d t h ev i d e oc o d e cs y s t e mn e e d sn o to n l yt h ec o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o nl l l o d u l eb u ta l s o 8 0 n i o t h e ra u x i 妇yf u n c t i o nu n i t ss u c ha sp i c t u r ei n p u t o u t p u tu n i t ，b i ts r e a n li n p u t o u t p u tu n i t , o f f - c h i pd a t as t o r a g eu n i t a n d 0 1 1 a nu s bc o n m m n i c a f i o ns o l u t i o nb e t w e e nt h ev i d e o c o d e cs y s t e ma n dp cv i ae z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3i si n t r o d u c e d t h eu s bf i m c f i o nc h i p w o r k sa ta s y n c h r o n o u ss l a v ef i f om o d e ，w h i l et h eu s bc o n n u n i c a t i o nm o d u l ei nt h ev i d e o c o d e cs y s t e mw o r k sa sm a s t e r t h eu s bt r a n s f e rt y p ei sb u l km o d ew h i c hc mp r o v i d e sh i g h s p e e dd a t at r a n s f e r t h i su s bc o m m u n i c a t i o nu n i ts a t i s f i e st ot h ed e m a n do ft h ea v sr e a lt i m e c o d i n ga n dd e c o d i n g k e y w o r d s ：a v s ；i n t 唧o l a f i o n ；p a r a l l e lp r o c e s s i n g ；p i p e l i n ed e s i g n ；u s b l l 浙江大学硕t 学位论文 第1 章绪论 1 1 视频编码原理 1 1 1 视频信息压缩概述 2 l 世纪的人类社会将是信息化社会。数字化后的信息，尤其是数字化后的视频和音频 信息具有数据海量性，成为阻碍现代社会信息交互的一个瓶颈。特别是视频信号，不仅所 包含的信息量非常庞大，而且其内容可以是活动的，也可以是静止的；可以是彩色的，也 可以是黑白的；有时变化多，细节多，有时变化平坦。例如，一路可视电话或者会议电视 信号，由于其活动内容较少，所需带宽较窄，但要达到良好的质量，不压缩大概需要几个 m b i t s ，而一路高清晰度电视信号( h d t v ) ，未经压缩时需要i g b i t s 的数据量【l 】。数字 视频信号的信息量如此之大，单纯靠扩大存储器的容量，或者增加通信信道的传输容量和 速率的办法是不现实的。因此需要设计将数据量进行减少的方法来完成信息的传递与存 储 数据信息的压缩有其必要性，但同时也应当满足一定的压缩标准，并不能无限制的减 少信息内容。对于视频信息来讲，其压缩应当满足两个标准：一、实用性，即要有一定的 压缩比，保证压缩后的视频信号带宽在一定范围之内；二、可用性，即压缩后的视频信号 应当具有一定的质量效果，不能影响人们的理解，这个质量效果通常用两个标准来衡量， 一个是客观标准，通常用信噪比来表示，还有一个是主观标准，通常通过观察者的主观评 价决定。 数据压缩的必要性来自于人们的需求，但从原理上来讲，对于视频信号，信号本身特 性及人类的感知特性也决定了视频压缩的可行性。首先对于视频图像信源信息，无论是在 空间上还是在时间上都有很大的相关性，这就造成了大量的冗余信息的存在，人们可以通 过一定的技术手段去除这部分冗余信息，仅保留独立的信息分量。第二方面，人类感知器 官的局限性决定了不会对所有的视频信息变化都会察觉，因而一些细节性的局部信息即使 被去除也不会对观察效果造成影响，即只要满足上文中提到的主观质量标准，一些非冗余 信息的去除也是可以接受的 1 1 2 视频压缩的常用技术 根据降低冗余度类型的不同，视频压缩可分为三种：统计压缩、变换压缩、预测压缩。 统计压缩降低信息熵冗余度，变换压缩降低空间冗余度，预测压缩降低时间冗余度。对应 的实现方法分别是熵编码，变换编码以及预测编码。 熵编码：根据香农( s h a n n o n ) 的信息论，熵是用来反映信源的不确定性的，即所 包含信息量的大小。熵编码就是信息熵保持不变的编码方法，通常采用最能减少 编码冗余的变长码，倒如哈夫曼( h u f f m a n ) 编码、指数哥伦布编码，算术编码、 游程编码等。哈夫曼编码能给出最短的码字。是根据信源符号出现的概率排列编 一l 一 浙江大学硕士学位论文 码的。出现概率丈的符号用短的码字表示，出现概率小的符号用长的码字表示。 信源符号与码字间存在一一对应的关系。指数哥仑布编码是一种特殊的变长码， 其基本思想还是把短码字赋给出现概率高的符号，而长码字赋给出现概率低的符 号，但是根据阶数的不同，它具有对应于阶数的固定形式。算术编码是从整个符 号序列出发，采用递推形式连续编码的方法，信源符号与码字间不存在一一对应 的关系。一个算术码字要赋给整个信源符号序列，而码字本身确定0 和1 之间的 一个实数区间。游程编码的基本思路是对一组从左到右扫描得到的连续的0 或1 游程用它们的长度来编码，视频压缩编码中常采用连续0 的个数作为游程( r u n l e n g t h ) 。这样就不需要对每个o 进行编码，只需编码连续0 的个数即可。 预测编码：基本思想是通过仅提取每个象素中的新信息并对他们编码来消除冗余 压缩编码后传输的并不是像素本身的取样值，而是该取样的预测值和实际值之差， 或者叫做残差。这是因为相邻几帧的对应象素之间或者一帧内相邻象素之问，有 很强的相关性，或者说这些象素值很相似。这些象素之间发生突变或“很不相似” 的概率很小，而且同帧图像邻近行之间对应位置的象素之问也有很大的相关性。 所以预测编码不是对象素样值直接编码，而是对残差编码。预测编码分为帧内预 测编码和帧间预测编码，分别对应于当前图像与帧内相邻样本象素点相减得到残 差和与相邻帧的对应样本象素点相减得到残差。 变换编码：不直接对空域图像信号进行编码，而是将空问域的图像变换到频域或 所谓的变换域，就会产生相关性很小的一些变换系数，然后对这些变换系数进行 编码处理。应用于视频压缩标准中的变换主要有离散余弦变换d c t ( d i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r m ) 和整数余弦变换i c t ( i n t e g e rc o s i n et r a n s f o r m ) 。其中d c t 的变换矩阵中的部分系数是无理数，在实际应用中，往往用整数系数去逼近，但 用整数系数逼近d c t 矩阵各个有理数系数的时候，所用的整数系数必须足够大， 才能取得与原始d c t 相近的性能，此时进行整数乘法和整数加法所需的寄存器位 宽就很大，这在硬件实现中会引入较大的时延，不利于实时性的处理。并且编码 器与解码器之问，以及不周的解码器之间，在实现d c t 和i d c r 时采用的近似整数 系数可能不同，结果可能不周，即存在失配的可能。针对d c t 变换在实现上存在 的种种困难和不足，香港中文大学的湛伟权教授于上世纪八十年代末提出了整数 余弦变换i c t 的概念 2 。整数余弦变换矩阵的各个系数远小于定点离散余弦变换 矩阵的系数，其实现十分简单经济同时，它也具有与离散余弦变换矩阵同样的 对称性，可以通过快速算法实现i c t 由于实现方便。性能也与d c t 接近或更好， 还能避免失配。所以在新近视频编码标准h 2 6 4 a v c 和a v s 中都采用了这种变换 方法。 1 1 3 视频压缩框架 视频编码通常采用混合编码框架，即采用多种编码技术，综合考虑预测、变换以及熵 一2 一 浙江大学硕士学位论文 编码的编码框架，如图1 1 ，有以下几个主要特点： 利用帧问预测来消除图像间的冗余，利用帧内预测来消除图像内的冗余。 通过对预测残差进行变换和量化来消除图像内的视觉冗余。 利_ i j 熵编码来消除统计上的冗余。 输入视顿预测残量化后的 图1 1 视频编码框架 利用帧内预测技术和证件预测技术进行编码的图像分别称作帧内编码图像帧( i 帧) 和帧问编码图像帧( p 帧) i 帧的编码过程如下：可采用基于频率域或空间域的帧内预测， 用预测模式标记当前待编码块的参考值获得方法，然后计算待编码块与其参考块之间的差 值，得到相应的残差数据块，对原始图像数据块或残差数据块进行二维变换，接着在变换 域中对变换系数进行量化，最后进行熵编码，即采用变长编码或算术编码等。p 帧的编码 过程如下：采用基于运动补偿的帧间预测，通过运动矢量来标记当前待编码块的参考块位 置，然后计算待编码块与其参考块之间的差值。得到相应的残差数据块，接着对残差数据 块进行二维变换，再对变换域系数进行量化，最后进行熵编码。 在视频编码中，编码端只需要传输编码模式信息、运动矢量、重建图像块与其预测值 残差的变换量化系数。而在解码端，接收到了编码模式信息和运动矢量，即可对当前解码 块进行预测，获得其预测值，再对残差的变换量化系数进行反量化反变换，与预测值相加 得到重建图像块。 1 2 视频编码标准介绍 1 2 1 视频编码标准发展历史 1 9 8 8 年c c i t r 通过了“p x 6 4 k b i t s ( p = l , 2 ，3 , 4 5 一t 3 0 ) ”视频编码标准h 2 6 1 建议， 被称为视频压缩编码的一个里程碑，此后删- t 、i s o 等组织公布的基于波形的一系列视 频编码标准的编码方法都是基于h 2 6 1 中的混合编码方法【1 】。h 2 6 1 主要面向以6 4 k b l n 和2 m b p s 之间的速率在i s d n 线上传输的会议电视和可视电话传输应用，其系统框架是具 有整像素运动补偿的基于块的混合编码器。其后出现的h 2 6 3 是针对h 2 6 1 的改进版本， 一3 一 浙江大学硕士学位论文 面向以低于6 4 k b i t s 的低码率视频传输，并增加了一些新技术如半像素精度运动补偿、更 精细的运动适量以及二维预测的应用等。 h 2 6 1 和h 2 6 3 标准都描述视频图像压缩，而i s o i e cm p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t s g r o u p ) 制定的一些列标准如m p e g 1 【3 】，m p e g - 2 4 i 、m p e g - 4 5 也描述了音频以及音视 频联合传输所需要的系统表示。最早颁布的m p e g 1 标准在视频压缩方面也是源自于 h 2 6 1 ，主要面向数字电视应用，其主要特点在于半像素精度运动补偿、b 帧双向预测等。 m p e g - 2 是第一个能以全电视和h d t v 分辨率编码隔行视频的标准，主要面向数字电视广 播、家用d v d 的视频压缩以及高清电视应用。m p e g - 2 按照不同的压缩比分成5 个档次， 并按照清晰度分成4 个级别，共有2 0 种组合，码率范围从4 k b i t s 到1 0 0 k b i t s 不等。m p e g - 2 扩展了m p e g - 1 ，为隔行视频引入了新的预测模式，并定义了类，要求解码器实现标准定 义的一个子集，以便建立标准的解码器。 基于姗e 0 1 和h 2 6 3 的m p e g - 4 标准以多种多媒体应用为主要应用对象，在利用一 系列新技术如无约束运动适量、交替水平扫描、1 4 像素精度运动补偿等提供高压缩比性 能之外，它的基于对象的编码方式还可以实现基于内容的交互性和灵活多样的存取，使得 人们对视频信息的应用可以实现被动接受转变为可以基于内容的访问和操作。 m p e g 系列标准除了上述三者之外还有m p e g - 7 和m p e g - 2 1 标准，前者主要规定一 个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合，适用于音频和视频内容的描述 和检索而m p e g - 2 1 定义了一个可互操作和高度自动化的框架，主要面向网络应用【q 。 1 2 2 新近视频编码标准h 2 6 4 a v c 和a v s 标准介绍 h 2 6 4 a v c 由i s o i e c 下属的运动图像专家组m p e g 和i t u 下属的视频编码专家组 v c e g 共同成立的联合视频小组j v t 负责完成制定，被命名为a v c ( a d v a a e e dv i d e o c o d i n g ) ，也被称作册- th 2 6 4 建议和m p e g - 4 第l o 部分标准，简称为h 2 6 4 a v c 7 。 1 2 1 节提到m p e g - 4 的特点是基于内容的交互性和灵活多样的存取，而h 2 6 4 ，酊，c 的主 要目标在于高压缩效率和传输的可靠性。h 2 6 4 a v c 规定了3 个档次，分别支持不同的应 用场合。 基本档次( b a s e l i n ep r o f i l e ) ：主要面向视频电话类应用如会议电视、可视电话、远 程医疗等； 扩展档次( e x t e n d e d p r o f i l e ) ：主要面向网络中的视频流应用如视频点播等； 主要档次( m a i np r o f i l e ) ：主要面向消费电子类应用如数字电视广播、数字视频存 储等。 本文中所介绍的关于h 2 6 4 a v c 的内容除特别说明外均指主要档次 h 2 6 4 a v c 的编解码器采用的仍是基于变换编码、预测编码和熵编码的混合编码框架， 与以前编码标准相比没有什么区别，主要不同在于各个功能模块的实现为了实现高压缩 效率和传输型，h 2 6 4 a v c 在各个编码技术领域采用了多项新的方法，下面对这些方法分 别作以介绍； 一4 一 浙江大学硕士学位论文 预测编码方面：在帧间预测中h 2 6 4 a v c 采用了不同大小和形状的宏块分割与亚 宏块分割方法，支持四分之一像素精度运动补偿，可以采用多参考帧进行运动估 计，b 帧可作为参考帧；在帧内预测技术方面利用了相邻像素的相关性，通过当 前像素块己编码重建的左边和上边的像素进行预测，只对预测差值进行编码，这 样就能用较少的比特数来表达像素块信息： 变换编码方面：采用了类似于4 x 4 d c t 变换的i c r 变换，具有效果好、计算快、反 变换不会出现失配问题等优点。 炳编码方面：h 2 6 4 v c 使用了两种熵编码方法，即基于上下文的自适应变长编 码c v l c ( c o n t e x t - b a s e da d a p t i v ev a r i a b l ek n g l hc o d i n g ) 和基于上下文的自适应 二进制算术编码c a b a c ( c o n t c t - b a s c da d a p t i v eb i n a r ya r i t h m e t i cc o d i n g ) 。采用 c a 眦和c a b c 可以根据上下文的内容，自适应调整符号概率分布，保证在当前 编码过程中用较短的码字表示概率较大的符号。 滤波技术方面：采用基于内容的去块滤波技术，基本单位为4 x 4 块边界，滤波强 度与块的编码模式、运动矢量和残差数值有关，具有高度自适应性。 场模式编码方面：h 2 6 4 a v c 支持图像级和宏块级的帧场自适应编码。 由于h 2 6 4 a v c 采用了许多不同于传统标准中的先进技术，在相同的码率下用 h 2 6 4 a v c 标准编码能够获得更高的主客观质量。h 2 6 4 a v c 较之传统的视频编码标准， 其压缩率提高了5 0 以上。同时，解码器的实现复杂度约为m p e g - 2 的4 倍，m p e 6 h 凹 的2 倍【8 】。 a v s 是指由国家信息产业部科学技术司于2 0 0 2 年6 月批准成立的数字音视频编解码 技术标准工作组所制定的标准。目前，a v s 标准中涉及视频压缩编码的有两个独立部分： a v s 第二部分( a v s l o ) 【9 】，主要针对高清晰度数字电视广播和高密度存储媒体应用； a v s 第七部分( a v s _ m ) 【1 0 ，主要针对低码率，低复杂度，较低图像分辨率的移动媒体 应用。a v s 视频编码标准的特色是在同一编码框架下，针对有明显不同的应用制定不同的 信源压缩标准，尽可能减少技术的冗余，从而降低a v s 视频产品的设计、实现和使用成 本在高清晰度数字视频应用中，a v s l 0 的性能与h 2 6 4 a v c m a i n p r o f i l e 相当。在低分 辨率移动应用中，a v s - m 的性能与h 2 6 4 a v c b a s e l i n e p r o f i l e 相当。但在获得同等压缩性 能的前提下，由于a v s 中的压缩技术都经过针对性的优化，其计算复杂度、存储器和存 储带宽资源的占用都低于h 2 6 4 a v c 相应的p r o f i l e 1 i 1 2 。 本文主要研究a v s1 0 和h 2 6 4 a v cm a i np r o f i l e 里的编解码技术，在下文中，如无特 殊说明，a v s 均指a v s l 0 ，h 2 6 4 a v c 均指指h 2 6 4 a v c m a i n p r o f i l e 。 与h 2 6 4 a v c 相比较，a v s 标准主要有以下技术特点： 预测编码方面：对帧问预测，a v s 规定p 帧至多采用2 个前向参考帧，b 帧采用 前、后各一个参考帧，与h 2 6 4 a v c 的多参考帧相比，这种方法在不增加存储、 数据带宽等资源的情况下，尽可能地发挥现有资源的作用并提高压缩性能；并采 一5 一 浙江大学硕上学位论文 用与h 2 6 4 a v c 不同的4 抽头滤波器进行1 4 像素精度弧象素插值，可以有效减 少参考数据带宽 1 3 。对帧内预测，a v s 采用基于8 x 8 块的帧内预测。亮度和 色度帧内预测分别有5 种和4 种模式并采用了不同于h 2 6 4 a v c 的d c 预测模式 1 4 ，实验表明，a v s 采用5 种模式仅比h 2 6 4 a v c 采用9 种模式损失o 0 5 d b 的p s n r ( 峰值信噪比) 1 5 1 变换编码方面：a v s 采用采用带p i t ( p r e - s c a l e di n t e g e rt r a n s f o r m ) 的8 x 8 二维 整数余弦变换【1 6 ，即将正向缩放、量化、反向缩放结合在一起，而解码端只进 行反量化，不再需要反缩放由于a v s 中采用总共“级近似8 阶非完全周期性 的量化，p i t 的使用可以使编、解码端节省存储与运算开销，而性能上又不会受 影响 熵编码方面：a v s 所有语法元素自孵字基于指数哥伦布码或定长码而构造。定长 码用来编码具有均匀分布的语法元素，指数哥伦布码用来编码可变概率分布的语 法元素。a v s 中指数哥伦布码编码所有可变分布的语法元素，而h 2 6 4 a v c 中 指数哥伦布码编码除变换系数以外的语法元素。 滤波技术方面：a v s 采用基于8 x 8 块的去块滤波技术，减少了滤波边界数目，并 简化了滤波强度的判断条件与滤波强度级别。 a v s 除了在技术实现上的种种特色之外，在专利许可方面也通过简洁的一站式许可政 策，解决了h 2 6 4 a v c 专利许可问题死结，是开放式制订的国家，国际标准，易于推广； 此外，h 2 6 4 a v c 仅是一个视频编码标准，而a v s 是一套包含系统、视频、音频、媒体 版权管理在内的完整标准体系，为数字音视频产业提供更全面的解决方案。在a v s 被采 纳为国家标准之后，随着我国经济的增长和音视频产业的发展，a v s 必定将有广阔的应用 前景。 1 3 视频压缩技术的实现方法 视频压缩技术因其应用场合的不同，可以有多种实现方法。从大的方面来说可以分为 软件实现和硬件实现，软件实现主要指在通用c p u 平台上的实现。硬件实现则可以再分 为通用数字处理器d s p 实现专用集成电路a s i c 实现。下面分别介绍几种实现方法并加以 比较。 基于通用c p u 的软件实现方法因个人p c 与网络的普及而有着极为广泛的应用前景。 软件实现的优点在于灵话性，除图像采集外不需要另外增加硬件设施，并且易于升级，对 产品的更新可以只需要修改代码，也易于实现对多标准的支持目前网络上多种播放软件 均支持m p e g - 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 、h 2 6 4 a v c 的支持，而支持a v s 标准的播放软件 目前也已推出。 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 因其强大的数据计算功能而可以在视 频压缩方面得以应用，在实现时采用d s p 的汇编指令设计或者针对汇编指令采用高级编程 一6 一 浙江大学硕上学位论文 语言优化设计来实现软件编解码，一般来说它具有比软件编解码器更强的处理能力，还具 有开发周期短，使i j 灵活，代码可更新升级等优点。随着d s p 向高速、低功耗、多媒体化、 多处理器的方向发展，使得用d s p 实现视频编码更加方便图像质量也更好。如1 1 公司 的以d m 6 4 2 芯片为核心的开发平台t d s 6 4 2 e v m 为用户开发视频处理器提供了一个非常 方便的途径【1 7 】。除此之外，1 1 公司为了满足第三代移动通信( 3 g ) 手持终端需要提供更 多更复杂的服务的要求，提出了开放式多媒体应用平台( o m a p ，o p e nm u l t i m “l i a a p p l i c a t i o n sp l a t f o r m ) 体系结构【1 8 】。 另一种视频压缩技术的实现方法是专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 实现。d s p 作为专用的数字信号处理器件，具有强大的数据计算功能，但这仍然 是一种通用的数字信号处理器件，针对具体应用仍然有其劣势，而a s i c 以其专用性可以 做出针对性的设计，因而在芯片面积、处理速度、功耗上都具有一定优势。虽然在前端开 发时需要有巨大的投入，且要有一定的上市时间，但是在投入市场以后可以通过大批量生 产来降低成本。如美国s i g m a d e s i g n s 公司开发出了支持h 2 6 4 、v c 1 、m p e g - - 4 和m p e g - 2 多种规格解码的媒体处理器s m p 8 6 3 0 ”，能对1 2 8 0 x7 2 0 格式的图像进行每秒3 0 帧的实 时解码【1 9 】以及上海富瀚微公司日前发布了支持标清( s d ) 的h 2 6 4 解码a s i ci p 核 f h 8 6 0 0 。它支持h 2 6 4 m a i n p r o f i l e 、l e v e l 3 ，采用的是o 1 s u m 工艺，工作在5 4 m h z 的时 钟频率下，逻辑规模为3 0 万门。该m 通过s o c 芯片集成，可应用于d v b - t 、d v b s 、i p 机项盒、便携媒体播放器、移动电视等数字媒体设备【2 0 】。 除了实现方式不同以外，整个视频编解码系统不仅包括图像压缩解压缩功能的数字 处理实现，还包括图像输入输出，数据存储、码流数据交互等模块，才能完整地实现功能。 因此在视频编解码系统的设计中不仅包括具体的算法实现模块，也包括各种辅助功能单元 设计 本文组织结构 本文作者在硕士研究生学习期间参加了a v s 标清解码器和编码器项目，主要负责运 动补偿插值、环路滤波和u s b 通信模块的设计、调试工作在本文中，对视频算法实现 模块设计将以插值模块为例进行介绍，对视频编解码系统中的辅助功能单元设计将以u s b 为例进行介绍。以下为本文的组织结构： 第一章为绪论，简要介绍视频压缩的原理以及其中的主要技术和编解码框架，并对视 频编码标准特别是新近编解码标准a v s 和h 2 6 4 a v c 做了介绍，在最后给出了视频压缩 技术的几种实现方法 第二章为集成电路设计方法与策略，主要介绍集成电路设计的流程和常用的e d a 工 具，以及在设计时所需要考虑的问题，在处理速度、资源占用、功耗等方面的要求及其相 互联系，分析速度与面积之间的对立统一关系并考虑在不同环境下的权衡。 第三章主要介绍a v s 解码芯片中插值模块的设计方法。首先简要介绍了亚象素精度 一7 一 浙江_ 夫学硕j ：学位论文 运动补偿技术的原理与发展历史，并介绍了h 2 6 4 a v c 标准中的插值算法与已有设计方法 作为借鉴，在充分分析a v s 插值算法特性的前提下对亮色度插值单元分别作了优化设计， 并对整个模块的双向参考处理作了合理的控制，最后给出了实现结果。 第四章介绍视频编解码系统中的码流传送功能的实现。本文中采用u s b 功能芯片实 现p c 与视频编解码系统之间的码流传送。u s b 功能芯片e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 工作于 异步s l a v ef i f o 模式，而视频编解码中的u s b 通信模块作为外部主逻辑，控制码流的发 送与接收。u s b 传输模式为速度较高的块传输方式，实验结果表明可以满足a v s 编解码 系统的实时码流传送。 第五章为总结和展望 一8 一 浙江人学硕上学位论空 第2 章集成电路设计方法与策略 本章主要介绍集成电路设计的基本方法与策略，首先将在2 。1 节介绍现代集成电路设 计流程。2 2 节将介绍集成电路设计所需要重点考虑的面积与速度标准，并介绍设计中常 用的几种面积与速度呼唤策略如乒乓操作、单元复用、并行处理与流水操作方法等，这些 方法将在第3 章插值单元设计中得到具体应用。最后简要介绍了针对不同标准的通用与专 用结构设计。 2 1 集成电路设计流程 自从1 9 5 8 年第一组商用i c 逻辑门系列f a i r c h i l d m i c r o l o g i cf a m i l y 2 1 产生以来，集成电路 的发展取得了长足进步。i n t e l 公司的创始人之一的g o r d m o o r e 在研究存储器芯片晶体管增 长数与时问的关系的时候提出了著名的摩尔定律，也就是每过1 s - 2 4 1 - 月，芯片的集成度提 高一倍。从集成电路的发展看，大约每隔3 年左右的时间，器件的特征尺寸降低到原来的0 7 倍【2 2 】。集成电路的规模发展经历了从小规模集成电路s s i ( s m a l ls c a l ei n t e g r a t i o n ) 、中规模 集成电路m s i ( m o d e r a t es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、大规模集成电路l s l ( l a r g es c a ki n t e g r a t i o n ) 、超大 规模集成电路v l s i ( v e r y l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n ) 以至现在甚大规模集成电路u l 嚣i ( u l t r a l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n ) 的发展。随着集成电路设计规模的增大，在单位面积上集成的单元数目越 来越多，制造工艺也逐渐向深亚微米级别发展，这使得集成电路的设计必须借助于计算机辅 助设计c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 和电子设计自动化e d a ( e l c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 技 术 集成电路产业的迅猛发展也产生了不同的产品类型，如标准逻辑电路，通用存储器及 通用微处理器电路等不同类别。于8 0 年代出现的a s i c 技术是针对某种整机系统的专门需 要而设计制造的，是在大规模集成电路和超大规模集成电路设计阶段中出现的。通常，a s i c 的设计是根据系统的要求对电路功能进行定义。然后开始自顶向下的层次设计。用e d a 工具加速从系统设计到芯片实现对市场开拓有着十分重要的现实意义目前，广泛采用硬 件描述语言( h d l ) 设计技术。该方法是在i c 设计环境下，以h d l 描述为基本手段，建立 一个能用于逻辑综合、模拟、时序验证和布局线的数据库，完成一个正向设计过程。因此。 建立基本的技术数据库是实现正向设计的基础，借助e d a 工具完成一个设计。 a s i c 设计流程如图2 1 所示，可分为以下步骤 2 3 2 4 2 5 1 1 2 6 2 7 ： 一9 一 浙江大学硕七学位论文 图2 1 a s i c 设计流程 系统需求分析与设计要求说明；设计的开始阶段必须首先对所要设计的系统进行 分析，编写设计电路的技术指标和功能细节要求，从抽象的角度对电路的总体结 构和功能进行确认： 行为级描述：在完成系统性能分析与功能划分的基础上，对于各个电路功能模块， 用h d l 语言( v e r i l o gi d l v h d l ) 完成行为级( b e h a v i o rl e v e l ) 描述。 行为级优化r t l 级优化：进行行为级算法优化与功能仿真，同时完成向寄存器传 输级( r t l ：r e g i s t e rt r a n s p o r tl e v e l ) 描述的转化进行这一步转化工作的原 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 因在于现有的e d a 工具只能接受r t l 级描述的h d l 文件进行自动逻辑综合。以上 这些步骤是与具体的实现工艺无关的。 逻辑综合逻辑优化：选定= 艺库，确定约束条件，将r t l 级的f i d l 代码映射到具 体的工艺加以实现，得到门级网表( n e t l i s t ) 。门级网表从逻辑门及其相互连接 关系的角度来描述电路的结构。它的前提是得到包含相应工艺参数的逻辑综合库 的支持。在设计一个系统时，总有对应的设计指标，典型的如时钟频率、芯片面 积、端口驱动能力等，自动综合工具将这些设计指标作为综合过程的约束条件， 在给定的包含工艺参数的综合库中选取最佳单元，实现综合过程。对于比较复杂 的设计，通常需要考虑测试问题d f t ( d e s i g nf o