高性能低功耗的运动估计阵列设计与实现

论文摘要

随着互联网的快速发展,人们对视频的要求越来越高,视频应用也从计算机发展到智能手机等,故视频的实时性,设备的视频持续性都有了更高的要求,主要体现在视频编码和视频编解码的功耗两个方面。运动估计是视频编码的重要组成部分,该模块耗能较大并决定着视频图像的压缩质量。故运动估计低功耗高性能成为视频编码中的一个重要研究方向。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)分析了运动估计经典算法及全搜索算法硬件结构,主要针对硬件资源、运算速度、硬件的I/O端口等问题,阐述了全搜索算法中参考帧搜索区域各个参考块之间的数据交叠以及可利用性,以及串行输入并行输出的流水结构及数据流规则可来大量减少数据的存取率等特点,并根据理论分析重建了脉动阵列。(2)阐述了运动估计电路所存在的低功耗并给出了相应的低功耗策略,两种不同的处理单元(Processor Element, PE),加入判决机制产生停止信号来暂停PE的无效操作。本文所提出的结构面下H.264标准高清视频(1920×1080@30fps)的实时处理。通过使用VERILOG硬件语言进行RTL级建模,软件模型进行功能验证,并基于0.18um工艺进行门级综合,使用Primrpower进行功耗分析。结果表明,该阵列结构完全能够满足设计要求。实现低功耗高性能运动估计阵列的VLSI设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 视频压缩技术的发展史
• 1.1.2 H.264 编码器概述
• 1.2 运动估计低功耗高性能的VLSI 设计的必要性
• 1.2.1 运动估计设计的瓶颈——功耗、性能与面积
• 1.2.2 当前运动估计设计的研究方向
• 1.3 本文主要研究的内容及内容安排
• 第二章 运动估计概述
• 2.1 块匹配技术概述
• 2.1.1 运动估计及运动补偿
• 2.1.2 块匹配运动估计的参数与指标
• 2.2 经典块匹配运动估计算法介绍
• 2.2.1 全搜索算法
• 2.2.2 三步搜索和新三步搜索算法
• 2.2.3 菱形搜索（DS, Diamond Search）
• 2.3 经典块匹配运动估计结构介绍
• 2.3.1 1-D 脉动阵列
• 2.3.2 2-D 脉动阵列结构
• 2.3.3 快速搜索算法的硬件结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 运动估计阵列的设计与实现
• 3.1 设计流程和设计方法
• 3.2 运动估计阵列的VLSI 设计的相应指标
• 3.2.1 运动估计阵列的算法选择
• 3.2.2 运动估计阵列的结构选择
• 3.3 运动估计阵列功耗分析
• 3.3.1 PE 处理阵列的算法级低功耗设计
• 3.3.2 PE 处理阵列的结构级优化
• 3.3.3 运动估计精度与功耗的平衡策略
• 3.3.4 本文研究及采用的低功耗设计策略
• 3.4 总体架构设计
• 3.4.1 VLSI 架构设计
• 3.4.2 运动估计工作流程
• 3.5 模块接口及数据处理模块
• 3.5.1 片上存储器设计及I/O 处的总线设计
• 3.5.2 边界处理及数据提取模块
• 3.6 主要模块结构设计
• 3.6.1 二种基本的处理单元
• 3.6.2 比较模块
• 3.6.3 主要的控制模块
• 3.7 本章小结
• 第四章 功能验证以及性能分析
• 4.1 功能验证以及性能分析
• 4.1.1 验证环境框架及流程
• 4.1.2 软件语言模型的搭建
• 4.1.3 验证数据
• 4.1.4 RTL 验证与软件验证
• 4.2 综合与功耗分析
• 4.2.1 综合结果
• 4.2.2 与类似结构设计比较分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 本文贡献
• 5.1.2 后续工作
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 附件