運(yùn)動估計算法的可重構(gòu)VLSI結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計.pdf

1、近年來，作為多媒體核心的數(shù)字視頻技術(shù)得到了飛速發(fā)展。而運(yùn)動估計（ME）算法及其實現(xiàn)技術(shù)作為諸多視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的核心部分，在研究領(lǐng)域和業(yè)界引起極大的關(guān)注?？芍貥?gòu)計算技術(shù)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(gòu)計算技術(shù)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(gòu)計算技術(shù)、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(gòu)實現(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀等方面的課題相關(guān)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)采納，而以往支持全搜索塊匹配算法（FSBMA）的結(jié)構(gòu)并不適合可變塊大小計算。本文首先總結(jié)了可變塊大小 FSBMA的SAD匹配準(zhǔn)則的求和規(guī)律并分析了AB2、AS2和全樹型三種典型結(jié)構(gòu)在支持可變塊大小計算上存在的不足。在此基礎(chǔ)上，分別改進(jìn)了AB2和AS2結(jié)構(gòu)的SAD

3、求和過程以及全樹型結(jié)構(gòu)的搜索區(qū)數(shù)據(jù)輸入方式和SAD求和順序，使三種改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以同時計算 MPEG-4 AVC/H.264標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的AB2和AS2結(jié)構(gòu)保持原結(jié)構(gòu)的搜索區(qū)數(shù)據(jù)流和處理能力不變；改進(jìn)的全樹型結(jié)構(gòu)盡管為了減少輸入數(shù)據(jù)寬度而相對原結(jié)構(gòu)在性能上有所下降，但仍可獲得同 AB2結(jié)構(gòu)相同的處理能力。
　　上述改進(jìn)的AB2和全樹型結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于 AS2，難以滿足高性能實時編碼要求。無效計算是由于結(jié)構(gòu)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(jìn)全樹型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了支持上述掃描方式的動態(tài)可重構(gòu)運(yùn)算陣列結(jié)構(gòu)，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(shè)計

5、了一種可擴(kuò)展的可重構(gòu)存儲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用多存儲體結(jié)合可重構(gòu)的crossbar接口及串并轉(zhuǎn)換移位寄存器，可以向運(yùn)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(gòu)結(jié)構(gòu)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(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，目的是在功耗受限應(yīng)用中通過選擇不同的BMA來獲得視頻質(zhì)量、計算復(fù)雜度和功耗之間的多種折中。文中，首先基于 BMA在計算復(fù)雜度和功耗方面劃分的三個級別，提出了設(shè)計目標(biāo)和結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了可重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的三個核心部分：可重構(gòu)運(yùn)算陣列（RCA）、可重構(gòu)存儲結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)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(fù)雜度的算法；可重構(gòu)存儲結(jié)構(gòu)通過可重構(gòu)參考塊存儲陣列、可重構(gòu)候選塊寄存器陣