（信息与通信工程专业论文）视频解码器设计及优化策略研究.pdf

浙江大学硕士学位沦文 摘坚 摘要 随着多媒体压缩技术和传输技术的发展，视频解码器在人们生活中的应片j 越来越广泛。 视频编解码技术的发展使得视频的压缩效率成倍地增加，但是随之带来的是实现的高复杂 度。 另一方面，随着v l s i 设计技术的发展，芯片的集成度越来越高，尤其对于视频编解码 芯片来说，系统的设计规模和复杂度大大增加。而在实际的设计当中，设计者往律不可能将 芯片设计做地步到位要设计出一块高质量、高性价比的芯片。必须对芯片进行优化设计。 本文从结构设计学和方法论的角度，对视频解码器的优化设计做了三方面的研究：系统 级的优化、模块级的优化和电路级的优化。 视频解码系统层的优化设计土要包含对模块互连结构、数据存储结构以及s d r a m 总线 结构等几个方面的设计。首先，存分析比较各种数据通路和控制通路性能的基础上，本文采 用了混台控制方法来协调各个模块的工作，使a v s 视频解码系统能够高效运行。其次，通 过分析模块内部的数据处理速率、数据处理单位、数据生存周期提出可以减小缓存大小、便 于控制的本地缓存结构；对于模块间的数据存储采用了更节省面积的乒乓结构；在充分考虑 了s d r a m 的物理特性的基础l ，提出了数据存放的约束条件，提高了数据存储速度。最后， 在最优的存储结构的基础上采用了最节省硬件电路面积的t o k e n r i n g 的总线调度策略。 在模块级的优化设计中，对可菱构的优化技术进行了研究，作为实例，本文详细讨论了 可重构技术在a v s 帧内预测模块中的应用；此外，本文对基十运算单元的可复用技术进行 了深入分析，并运用该技术的设计方法对码流解析模块进行了优化设计，通过对零阶指数哥 伦布码p l a 单元的复用，减少了a v s 码流解析模块的硬件资源开销。 在电路级的优化设计中，本文总结分析了r a r 逻辑优化和s r a r 逻辑优化两种优化方 法，通过重定时和再综合的优化步骤有效解决逻辑电路冗余的问题，从而减少了硬件电路 的开销，并通过实例验证分析了这两种优化方法。j 比p l - ，结合课题研究经验，给出了高效的 状态机设计方法以及一些面向综合的v e i l i n g 编码方法。 关t 词：视频解码器，优化，乒乓缓存可重构技术，可复用技术，r a r 优化s r a r 优化 第l 页 渐江大学硕士学位论文 a b s t r a 口t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft 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 ym a k e st h ev i d e oc o m p r e s s i o n r a t i oh i g h l yi n c r e a s e da n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm o l ta n dm o r ec o m p h c a t e d o nt h eo t h e rh a n d a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fv l s id e s i g nt e c h n o l o g y , m o l la n dm o r e t r a n s i s t o r sc a nb ei n t e g r a t e di n t oo n ec h i p ，a n dt h ed e s i g ns c a l ea n dc o m p l e x i t yo ft h ec h i pg r e a t l y i n c r e a s e d t o d e s i g nac h i pw i t hh i g hq u a h t ya n dh i g hr a t i o o fp e r f o r m a n c et op r i c e ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g ni si n e v i t a b l e t h i st h e s i st r i e st od os o m er e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h es y s t e m ，m o d u l ea n d c i r c u i tl e v e l t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no nt h es y s t e ml e v e lm a i n l yi n c l u d e si n t e r c o n n e c t i o no fm o d u l e s d a t as t o r i n gs t r u c t u r ea n ds d r a mb u sa r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ea n a l y s i so f 血ep e r f o r m a n c eo f v a r i o u sd a mp a t ha n dc o n g o p a t hh y b r i dc o n t r o ls c h e m ei sa d o p t e d a f t e ra n a l y z i n gt h ed a t a p r o c e s s i n gs p e e d ，d a t ap r o c e s s i n gu n i ta n dd a t ae x i s t i n gp e r i o d ，a l o c a lb u f f e ra r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e d ，w h i c hr e d u c e st h eb u f f e rs i z ea n de a s e st h ec o n t r 0 1 p i n g p a n ga r c h i t e c t u r ei sa d o p t e dt o o p t i m i z et h em e m o r ys t r u c t u r et h et o k e nr i n gi su s e dt or e d u c et h eh a r d w a r ec o s t o nt h em o d u l el e v e lo p t i m i z a t i o n ，t h er e c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o ni su s e di nt h ed e s i g no f i n t r a - p r e d i c t i o nm o d u l eo fa v sv i d e od e c o d e rm o r e o v e r , t h er e u s a b l et e c h n o l o g yb a s e do nt h e o p e r a t i o nu n i ti sa n a l y z e d o n ee x a m p l ei st h er e u s eo ft h ep l a u n i ti nt h eb i t s v e a mp a r s i n gu a i t o nt h ec i r c u i tl e v e lo p t i m i z a t i o n ，t w ol o g i cc i r c u i to p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，r a i la n ds r a r ， a r ep r o p o s e d t h eo p t i m i z a t i o ns t e po fr e t i m i n ga n dr e s y n t h e s i sc a ns o l v et h ep r o b l e mo fl o g i c c i r c u i tr e d u n d a n c ye f f i c i e n t l ya n dr e d u c et h eh a r d w a r ec o s t m o r e o v e r , ad e s i g nm e t h o do fh i g h e f f i c i e n tf i n i t es t a t em a c h i n ea n das y n t h e s i s o r i e n t e dc o d i n gr u l ea r ep r o p o s e d k e y w o r d ：v i d e od e c o d e r , c h i pd e s i g n ，r e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , r e u s a b l em c h n o l o g y , r a r o p t i m i z a t i o n ，s r a ro p t i m i z a t i o n 第2 页 浙江大学硕士学位论文图表索弓 图表索引 图1 - 1a s i c 设计通用流程1 5 图2 1a v s 视频编码基本框图2 0 图2 - 2 a v s 视频编码标准的码流结构层次2 1 图2 - 3a v s 视频解码器结构框图2 3 图2 4 基于流水线结构的数据通路示意图2 6 图2 - 5 流水线结构时序示意图2 6 图2 - 6 基于数据驱动结构的数据通路2 7 图2 - 7 集中控制( 存储转发分配方案) 2 8 图2 - 8 分散控制( 邮箱式分配方案) 2 8 图2 9v l d 模块控制逻辑状态转移图3 0 图2 - 1 0 系统混合控制示意图3 l 图2 - 1 1 视频数据在片内外的映射关系3 2 图2 - 1 2 环内滤波一个块内的数据生存周期示意图3 3 图2 - 1 3 乒乓缓存结构示意图3 4 囤2 一1 4 双口r a m 和单口s r a m 萄积比较，3 5 图2 1 5 优化后的模块读写缓存结构3 6 图2 - 1 6 c a s l a l 陀n c y 示意图。3 7 图2 - 1 7 图像处理操作循环嵌套示意图4 2 图3 - 1 软件、硬件和可重构实现技术比较4 6 图3 - 28 x 8 亮度块帧内预测模式4 9 图3 - 38 8 块p l a n e 模式分解示意图5 0 图3 - 4 可重构的帧内预测模块的电路结构5 1 图3 - 5 d c 模式和d o w n - l e f t 模式的重构电路结构5 2 图3 - 6d o w n - r i g h t 模式的重构电路结构5 2 图3 - 7 色度p l a n e 模式的重构电路结构。5 3 图3 - 8 可复用技术的分类5 4 图3 - 9 基于运算单元的可复用设计流程5 6 图3 1 0p l a 概念图5 7 图3 - 1 1 基于p l a 码表复用技术的u e ( v ) ，s e ( v ) ，m e ( v ) 解析电路示意图5 8 图4 1r a r 重定时寄存器布置规则6 2 图4 - 2r a r 方法实例6 3 图4 - 3s r a r 方法实例6 4 图4 4h d l 语言描述高效状态机示意图6 7 图4 5 综合在v l s i 设计中的位置 图4 - 6 优化的层次 图4 7 资源共享：两种不同的结果。 图4 - 8 系统中模块的组织结构7 0 表1 - 1 集成电路发展的历程1 4 表2 - 1 基于视频编解码特性的解码器解码任务一般划分2 2 表2 - 2 a v s 基准p r o f i l e 4 0 级别视频解码算法中各个算法的三个标准要求2 4 第5 页 浙江大学硕士学位论文 图表索弓 表2 - 3a v s 视频解码系统中各个任务的运算周期2 9 表2 _ 4 a v s 视频解码系统中各个任务的运算周期，3 0 表2 - 5 视频解码算法中的数据最小处理单位的统计。3 3 表2 - 6 “7 ”s d r a m 在不同时钟下的延时拍数3 7 表2 7s d r a m 中帧存切换示意3 9 表2 - 8 任务处理时间特征分析4 3 表3 1 三种算法实现方法的比较4 7 表3 2 亮度预测模式4 9 表3 3 色度预测模式4 9 表3 - 4 帧内预测各种模式对应的运算类型总结5 0 表3 - 5a v s 标准中u e ( v ) ，s e ( v ) ，m e ( v ) ，c e ( v ) 四种描述符根语法元素的对应关系5 6 表3 - 6 优化前后码流解析模块占用的硬件资源5 8 表4 1 常见的状态分配编码6 6 第6 页 浙江大学硕士学位论文 绪论 第1 章绪论 1 视频编解码技术发展及应用 多媒体技术发展至今，已成为世界性技术研究和产品开发的热点有着广阔的应用前景。 相对于多媒体信息中的音频信号来讲，视频信号是一种比较特殊的媒体，数据量极大，信息 丰富、并以与时间密切相关的流的形式存在。视频信号的信息容量大，要求的处理速度快的 特点给视频图像的直接存储、传输等都带来了很大困难存储设备的容量不能满足如此大量 的数据存储要求，网络的带宽也不可能满足实时视频数据的传输。解决这些问题的关键之处 就在于对数据进行压缩编码。 目前编码方法主要有两类，一类是基于信息论，以变睦编码、预测编码、变换编码和混 合编码等为主的经典编码方法，另一类是最近几年投屉起来的新的编码技术，如分形编码， 模型基编码小波变换等等，在编码方式卜它们与经典的编码方法有明显的区别。关于图像 的编码技术将在第一节中，从无损压缩和有损压缩两个方面进行详细讨论。 标准化是产业化蠕动成功的前提，标准的制定保证了数据流可以在不同的终端和应用间 变换。国际标准化组织先后成立运动图像压缩编码组织m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t g r o u p ) ，提出并制定了一系列的m p e g 标准。此外国际电报电话咨询委员会，美国和欧洲 标准组织合作创建的联台视频小组( j o i n t v i d e o t e 日m ) 组织，也建立了专家组专门研究电视 电话的编码问蹶，也制定了一系列的标准。 1 1 常用的图像编码技术 随着视频图像在各个领域的应用，所需处理和存储的图像数据量也越来越大。这些需求 不断刺激着图像编码、压缩技术的发展。近年来随着数字信号处理技术、数字图像处理技术 和大规模集成电路技术的发展，新的数据压缩、图像压缩技术取得了长足的进展。下面对常 用的编码压缩方法做一十简单的介绍。 目前数据及图像编码、压缩技术的分类方法很多，到目前为止尚未统一。多数学者认同 的方法是将数据压缩分成无损压缩和有损压缩两类。无损压缩提供了不丢失任何信息的压缩 技术。也就是说，原始数据可以从压缩数据准确无误地恢复。这种方法压缩比不高主要用 于数据需要准确形成的情况。有损压缩时容许数据有适当损失的压缩，这类方法往往可以达 到较高的压缩比。 1 1 1 无损压缩 无损压缩是指压缩文件时，能够准确无误地恢复原始数据。这种方法常用予数据文件的 压缩，例如z i p 、r a r 文件。无损压缩常用的算法是个数技术法，它将一连串的相同颜色 定义为颜色与数量两个参数，以此减少相同颜色所占用的空间。由此看山，这种压缩算法压 缩黑白图片时非常有用，但是对活动的彩色图像压缩时并不实用，它受图像复杂度的影响太 大，造成压缩率过低，压缩比很难超过3 ：l 。无损压缩理论是建立在信息论的基础上的。 常见的无损压缩方法有霍夫曼( i - i u f f m a n ) 编码、游程编码、算术编码、r i c e 算法等。下面 对各种方= f 土做一个简单的介绍。 对各种方法做一个简单的介绍。 第7 页 浙江大学硕士学位论文 绪论 霍夫曼( e u f f m a n ) 编码 霍夫曼于1 9 5 2 年提出的一种编码方法，它完全依照字符出现的概率来构造平均长度最 短的异字头码，这种编码方法就是霍夫曼编码。其编码步骤如下： 步骤一：以降序排列符号概率p ( 的( 1 = 1 , 2 ，l ) ，并把它们作为树的叶节点； 步骤二：当存在一个以上的节点时： ( a ) 找到具有最小概率的两个节点，并任意地分配i 和0 给这两个节点。 ( b )合并这两个节点形成一个新的节点，它的概率是这两个合并节点的概 率之和。返回步骤1 。 步骤三：对于每个符号，通过跟踪从对应的叶结点到树的顶端所分配的比特来确定它的 码字。叶结点的比特是该码字的最后一个比特。 游程编码 游程长度( r u n l e n g t h ) 指的是由字符构成的数据流中的各个字符出现而形成字符串的 长度。如果给出了形成串的字符、串的长度以及串的位置，就能恢复出原来的数据流。 基本的游程编码( r l c ) 就是在数据流中直接用三个字符来给出上述的三种信息。r l c 的数据压缩性能取决于整个数据流中重复字符出现次数、平均游程长度及所采用的编码结 构。这种压缩编码最初出现在i b m 3 7 8 0 b i s y n c 通讯协议中。 算术编码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 算术编码的概念最早由里斯桑内( j r i s s a n e n ) 在1 9 7 6 年以“后入先出的”编码方式引 入。与霍夫曼码不同，算术码是一种非分组编码方法。在假定信源为二元平稳的马尔可夫元 以后，需要预先存储的不是码字而是由信源状态确定的一些参数。设信源的字母表为 o ，1 ) ， 算术编码在初始化阶段预置一个大概率p e 和小概率q 。，信源连续发出的符号组成序列s ， 每个s 对应个信源状态，在该状态下接着出现的符号按条件概率大小分为l ( 条件概率 o 5 ) 和( 条件概率 o 5 ) 。现在用c ( s ) 来表示一个数据序列s 的算术码，它可以看作是一个 二进制小数。随着被编码的符号串中的0 、“1 ”出现的概率，上述对应关系可自适应的改 变。将每个字符串s 都与一个子区间 c ( s ) ，c ( s ) + a ( s ) 】相对应。其中a ( s ) 代表子区间的宽度。 算术码的编码过程实际上就是依据字符发生的概率对编码区间的分割过程。算术编码的基本 过程如下： 初始化：c ( s ) 卸，a ( s ) = 1 ； 对子区间宽度a ( s ) 作迭代运算。若以0 为高概率字符h ，i 为低字符概率l ，其关系为 a ( s 0 ) = ( 表示二进制数x 取q 位有效值) a ( s 1 ) = a ( s ) x2 - q ( s ) ( 右移q 位) 对码字c 拈) 做迭代运算，其关系为 c ( s 0 ) 2 c ( s ) c ( s 1 ) = c ( s 、十a ( s 0 ) 按照上述步骤对所有字符进行迭代运算，直到最后一个输出c ( s ) 代码。 其中参数q 与q 的确定直接关系到编码器的精确。实用算术编码不必事先确定信源的概 率模型，尤其是用于不可能进行概率统计的场合。作为一种实用的算术编码，q 编码器已经 成为最常用的自适应算术编码，并为j p e g 、j b i g 等国际标准所采用。 1 1 2 有损压缩 由于数据的无损压缩的最小数据量以其信息熵为下限，因而压缩效率有限。对于许多图 像应用领域来说，图像主要供人眼观察，例如可视电话、电话会议。在这种情况下，压缩图 像即使有些不明显的失真，也是可以容忍的。顾名思义，有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息 第8 页 浙江大学硕士学位论文 来降低数字图像所占的空间，回放时也不能完整她恢复原始图像，而将有选择的损失一些细 节，损失多少信息由需要多高的压缩率决定。对于同一种压缩算法来讲，所需压缩率越高， 损失的图像信息越多。我们把有损压缩也称为熵压缩。由于信息熵被压缩，结果图像压缩效 率大大提高。目前人们研究比较多的是d p c m 、变换编码、向量量化、小波变换编码等。 目前广泛应用的m p e g ，h ，2 6 3 ，a v s 等等压缩算法都是有损压缩算法。 d 恻 d p c m ( d i f f e r e n t i a l p u l s e c o d i n g m o d u l a t i o n ) 的基本概念最早是由卡特勒提出。它采用 反馈的方法预测估值，奠定了预测编码的基础。由于其算法简单，易于硬件实现，因而在图 像的压缩编码中得到较多的应用。d p c m 系统工作时，发送端发送个起始值a o ，接着就 只发送预测误差值e 。= a k 一铲，而预测值可记为铲= f ( a 1 a 2 ，a k ，k ) ，k m p e g 1 ：数字电视标准，1 9 9 2 年正式发布。适用于v c d 和m p 3 。 m p e g 2 ：数字电视标准。适用于d t v 和d v d 。 m p e g - 4 ：多媒体应用标准。 它是1 9 9 9 年5 月建议并于1 9 9 3 年7 月确认。其目标是甚低数码率的音视频压缩 编码( 码率低于2 8 8 k b s ) ，适用于固定和移动网络的多媒体。相比较以前的标准， 它有三个特点： 第1 0 页 浙江大学硕士学位论文 1 基于内容的交互性( c o n t e n t - b a s e di n t e r a c f i v i t y ) 基于内容的操作与比特流编辑支持无需编码就可进行基于内容的操作与比 特流的编辑；自然与合成数据混合编码提供将自然视频图像同合成数据有效结合 的方式，同时支持交互性操作；增强时间域随机存取m p e g 4 将提供有效的随机 存取方式。 2 高压缩率( c o m p r e s s i o n ) 在相同的弼率下，m p e g 一4 提供更好的主观视觉质量的图像，使之能应用于 迅速发展中的移动通信网络。同时，m p e g 4 能对同一景物提供有效多视角编码， 加上多半因声道编码及有效的视听同步。 3 灵活多样的存取( u n i v e r s a la c c e s s ) 在错误易发的环境中，m p e g - 4 能够提供较高的抗误码能力( e r r o rr o b u s t n e s s c a p a b i l i t y ) ，尤其是在易发生严重错误的环境下的低比特应用中( 如，以东通信 链路) 。此外，给予内容的尺度可变性( c o n t e n t - b a s e ds c a l a b i l i t y ) 是m p e g - 4 的 核心，因为一旦图像中所含对象的目录以及相应的优先级确定后，其他的基于内 容的功能就比较容易实现了。 m p e g - 7 ：被称为“多媒体内容描述接口”标准，它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。 i l l 6 x 系列 h 2 6 1 h 2 6 1 是由i t u t 第1 5 研究组为在窄带综合业务数字网( n i s d n ) 上开展速率为 p 6 4 k b s 的双向声像业务( n - i 视电话、会议) 而制定的，所以h 2 6 1 也称为p x 6 4 标准。 h 2 6 1 利用视频信号帧间的相关性，可以获得较大的压缩率。它包括信源编码和统 计编码两部分。信源编码采用有损编码方法，又分作帧内编码和帧间编码两种情况。帧 内编码减少空域冗余信息，一般采用单一的基于d c t 的变换编码方法。帧间编码可减 少时域冗余信息，一般采用混合编码方法。统计编码则是利用信号的统计特性来减少比 特率。 l l 2 6 3 h 2 6 3 是i t u _ t 制定的低比特率视频信号压缩标准。与h 2 6 1 的p x 6 4 k b p s 的传输 码率相比，h 2 6 3 的码率更低，单位码率可以小于6 4 k b p s 。h 2 6 3 的发展分为三个阶段。 初始标准的技术工作与1 9 9 5 年1 1 月完成。h 2 6 3 的扩展( 别名为h 2 6 3 + ) ，于1 9 9 7 年9 月放入标准中。第三个阶段的结果( 别名为h 2 6 3 + + ) ，与1 9 9 9 年合并入标准，并且于 2 0 0 0 年1 1 月正式通过。 相比较h 2 6 1 ，h 2 6 3 的创新技术主要有：半像素精度的运动补偿：不受限的运动矢量 ( 可选) ；用基于句法( s y n t a x - b a s e d ) 的算术编码代替霍夫曼编码( 可选项) ；先进的 预测模式( 可选项) ；p b 帧模式( 可选项) 等等。 h 2 6 薯 h 2 6 4 标准是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动图像 专家组) 的联合视频组( t ，j o i n t v i d e o t e a m ) 开发的标准，也称为m p e g 4 a v c ，它 作为m p e g - 4p a r t l 0 。是“高级视频编码”。在相同的重建图像质量下，h 2 6 4 比h 2 6 3 节约5 0 左右的码率。因其更高的压缩比、更好的l p 和无线网络信道的适应性，在数 字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。同时也要注意，h 2 6 4 获得优越性能的 代价是计算复杂度增加，据估计，编码的计算复杂度大约相当于h 2 6 3 的3 倍，解码复 杂度大约相当于h 2 6 3 的2 倍。 h 2 6 4 m p e g 4 的应用范围是非常广阔的，满足不同速率、不同解析度以及不同传 第u 页 浙江大学硕士学位论文 绪论 输( 存储) 场合的需求，包括可视电话、视频会议、h d t v 、d v d 以及硬盘存储、流 媒体、数字摄影、数字视频制作。除此之外，由于h 2 6 4 a v c 标准引入了面向i p 包的 编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络视频的流媒体传输，具有较强的抗误码 特性，可以适用于丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输，例如，基于电缆、卫 星、m o d e m 、d s t 等信道的广播；视频数据在光学或磁性设备上的存储，基于i s d n 、 以太网、d s l 无线及移动网络的公话服务、视频流服务、彩信服务等等。在即将开通 的3 g 市场上，h 2 6 4 的舞台也将越来越大，视频通讯将带给人们更为简洁的交流手段。 h 2 6 4 a v c 标准集成了h 2 6 3 和m p e g l 2 4 视频编码标准的可取之处，在吸收变 换编码和运动补偿技术的基础上，采用了全新的帧内预测、多帧参考预测、高精度运动 估计、类d c t 整数变换、c a v l c 、c a b a c 、块效应滤波的编码技术，有效地提高了 数据编码压缩效率。 a v s 标准“j a v s 标准是信息技术先进音视频编码系列标准的简称，其核心是把数字视频和音 频数据压缩为原来的几十分之一甚至百分之一以下。a v s 标准包括系统、视频、音频3 个 主要部分和一致性等支撑部分组成。 经过十年多演变，音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化，后起之秀辈 出。目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个；m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g - 4a v c ( 简称a v c ，也称j v t 、h ，2 6 4 ) 、a v s 。从制订者分，前三个标准是由m p e g 专家组完成 的，第四个是我国自主制定的。从发展阶段分，m p e g 一2 是第一代信源标准，其余三个为第 二代标准。从主要技术指标编码效率比较：m p e g 一4 是m p e g 一2 的1 4 倍，a v s 和a v c 相当，都是m p e g 2 两倍以上。 可以推测，由于技术陈旧需要更新及收费较高等原因，m p e g 2 即将退出历史舞台。 m p e g - 4 出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受，导致被众多运营商围攻，陷 入无法推广产业化的泥沼而无力自拔，前途未b 。而a v s 是基于我国创新技术和部分公开 技术的自主标准，编码效率比m p e g - 2 高2 - 3 倍，与a v c 相当，而且技术方案简洁，芯片 实现复杂度低，达到了第二代标准的最高水平；而且，a v s 通过简洁的一站式许可政策， 解决了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，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。综上所述，a v s 可称第二代信源标 准的上选。 1 3 视频编码的实现技术 实现视频编码，目前基本上有两种方式。即硬件的方式和软件的方式。因此下面按软件 硬件两种实现途径分别加以介绍。 1 3 1 软件编解码实现 采用软件方式实现视频编码，主要是指用通用处理器，如个人计算机实现视频的编解码 运算。采用这种方式明显的好处是廉价，除了图像采集以外不需要额外的硬件开销；其次是 灵活，改变标准、系统升级只需要改动程序即可，包容性很强。随着通用c p u 能力的不断 增强，软件方式原来最大的速度慢的缺陷也已经逐步得到克服。将来，基于软件的视频编解 码肯定大有发展前途。下面是几个用软件方式实现视频编解码器的实例： 日本冲电气公司现已经开发出h 2 6 4 ( m p e g - 4 a v c ) 软件编译码器，它可实时压 缩及解压缩7 2 0 4 8 0 象素的动态图像。 第1 2 页 浙江大学硕士学位论文绪论 2 0 0 4 年北京世纪鼎点公司已经开发出纯软件视频会议系统- - p o w e r c o n 。该系统的 m c u 和终端都是利用高性能p c 与服务器结合的软件来实现，视频编码则大部分采 用m p e g 4 标准。 a t i 于2 0 0 5 年上半年发布了一项专门适用于w m d o w s x p 的m e d i a c e n t e r 的m p e g 2 编码软件：a l l i n w o n - d e r - e n c o d e 。此编码软件可以达到与硬件实现编码相同 或者更好的编码效果，而且，其c p u 占用率与硬件的占用率不相上下，这使用户 在录制视频信息的同时还能上网，使用办公软件等。 1 3 2 硬件编解码器实现 一基于高速d s p 实现视频编解码是应用最多的一种方法，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。 利用d s p 方式实现视频编解码的几个实例： t i 公司的以d m 6 4 2 芯片为核心的开发平台 f 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。除此之外，1 1 公司为了满足第三代移动通信( 3 g ) 中 段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 n m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sp l a t f o r m ) 体系结构。 a d i 公司提供的b l a c l d - m 处理器不仅可以支持标清晰度和高清晰度电视还可以应用 于数码相机、便携式多媒体播放机、网络媒体适配器、机顶盒和3 g 无线手机等。 最近a d i 推出了一种将a d s pb f 5 3 2 多媒体处理器和局有网络处理功能的f u s i v v x 2 0 0 组合在一起的多媒体会聚平台，为用户提供经济有效的适合于下一代网络应 用的多业务平台。 e q u a t o r 公司研发的媒体信号处理器m a p - c a 是一种高性能数字信号处理芯片，特 别是用于多媒体信号处理产品，如机顶盒、数字电视、视频会议系统等。 美国c r a d l e 公司最新推出的c t 3 4 0 0 是一种处理器d s ，其中包括计算子系统和i o 子系统，计算子系统包含有8 个2 6 0 m h zd s p 和4 个2 6 0 m h zc p u ，而可编程i o 系统含有2 个2 6 0 m h z c p u 和1 2 8 个可编程f o 端口。特别适用于数据处理很大的 视频编解码中。 二除了高速d s p 实现方式外，还有一种比较常见的硬件实现方式；a s i c 方式实现。 专用芯片面积上的优势带来了制造上的低成本，同时由于量产效应，补偿了最初设计时的高 成本。下面给出几个用a s i c 方式实现的几个已经商业化的实例： a n o l o g 公司研发的低功耗单片实时视频编解码芯片a d v 6 1 2 ，其主要功能为小 波变换、游程编码及霍夫曼编码。 g 0 7 0 0 7 s b 是美国w i s 公司的一种支持多格式的m p e g - 4 视频编码芯片，它具有 丰富的外部接口，如视频输入接口、主机并行接口、d r a m 接口、u s b 接口、音 频输入接口及g p i o 接口。 美国g l o b e s p a n 公司的单芯片的m p e g 一2 编解码芯片i t v c l 5 ，在一个片里面就包 含了视频编码器和视频解码器；声音编码器和解码器；d v 视频解码器：支持基本 流( e s ) 、节目流( p s ) 、传输流( t s ) 的系统控制器。 采用m p e g - 4 编码芯片i m e 6 4 0 0 实现了嵌入式m p e g - 4 音视频编马，并可应用于 实际的视频系统。 美国s i g m ad 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 7 2 0 格式的图像进行每秒3 0 帧的 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文 实时解码。 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。该i p 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 v l s l 相关技术 1 9 5 9 年设计出来的第一个集成电路只有4 个晶体管，而到了1 9 9 7 年，一个芯片上可集成 的晶体管数目己高达4 0 多亿个。3 0 多年来集成电路技术发生了惊人的变化，它经历了小规模 ( s s d ，中规模( m s i ) ，大规模( l s i ) ，超大规模( v l s d 阶段，目前已进入特大规模u l s i ( u l m a l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 阶段，如表1 - 1 所示集成电路发展的历程： 电路集成规模 集成度( 晶体管数)国外实现时间段我国实现时间段 小规模集成电路( s s i ) l 亿至今 表1 - 1 集成电路发展的历程 回顾3 0 多年来的电子系统( 集成电路) 设计自动化e d a ( e l e c t r o n i e - s y s t e md e s i g n a m o m a t i o n ) 的发展，大致可分为三个阶段p l p ：7 0 年代的计算机辅助设计，8 0 年代的计算机 辅助工程和9 0 年代的高层次设计自动化。而如今集成电路设计已经进入了第四个阶段，一 个电子系统或分系统可以完全集成在一个芯片之上，即系统芯片集成的时代。 2 1 a s i c 设计技术 随着集成电路设计技术和工艺技术的不断提高，从8 0 年代起，专用集成电路( a s i a ) 迅 速发展起来。区别于标准逻辑电路或通用存储器及通用微处理器电路，a s i c 是针对某种整 机系统的专门需要丽设计制造的。是在大规模集成电路和超大规模集成电路中出现的，以多 品种、高水平为特征具有很强的保密性和竞争性。所以在信息技术激烈的市场竞争中，a s i a 具有强大的生命力。 专用集成电路a s i c ，英文为a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t 。它是借助于 计算机技术( c a d 、e d a ) 和微电子学的不断发展而出现的，是集成电路发展中的一种潮流。二 十年前，仪器中首先采用了微处理器，而后在通信和更广泛的领域采用了微处理器。如今同 微处理器一样，国外8 5 年后设计的新产品中大多数均采用了a s i c 器件，通信设备也不例外， 如光、数通信设备，交换设备、无线电台设各等。 为何a s i c 器件如此受到欢迎，主要是a s i a 与微处理器结合，进一步发展了电子仪器和通 信设备等，使其性能提高、功能增强、造价降低、可靠性进一步提高，以及功耗小、体积小 和设备中关键技术的保密性等。a s i c 的出现同时也大大地简化了系统设计。咀c a d 、e d a 为 基础的硅编译技术，使得系统设计实现了自动化。即使不熟悉集成电路工艺的设计者也可方 便地利用计算机高级语言进行功能描述或结构描述，完成a s i c 的设计和分析以及验证。 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 第1 4 页 浙江大学硕士学位论文 计。用e d a i 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 i 具完成一个设计。 a s i c 设计流程如图1 1 所示，可分为以下几个步骤： 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 g h 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。 行为级优化与r t l 级转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台。s y n o p s y s 提供的b e h a v i o r c o m p i l e r 就是专门完成这一工作的工具。 图1 - 1a s i c 设计通用流程 件的 工艺 关 段设计 逻辑综合与逻辑优化( l o g i cs y n t h e s i s & l o g i co p t i m i z a t i o n ) _ 选定工艺库，确定约 束条件，将r t l 级的h d l 代码映射到具体的工艺加以实现。它的