面向特定功能的通用性结构研究及在视频解码芯片设计中的实践

论文摘要

随着多媒体和宽带网络技术的发展，视频解码器在人们生活中的应用将会越来越广泛。虽然对视频编解码技术研究的不断深入使其发展日新月异，但是基于块混合编码的经典视频框架始终没有根本性的改变。尽管对于实现视频解码系统中某个功能子单元的优化算法层出不穷，但是其实现的基本方法和大致思路总是一致的。 为了迎合高速发展的多媒体和集成电路技术，现在的VLSI开发需要大大缩短其开发周期以提高竞争力。多媒体硬件视频解码器也是如此，一般来说，随着某个高级视频解码标准的提出，总会在第一时间有相应的硬件解码器结构，虽然开发周期短，但是其结构设计对标准的依赖性很强，随着标准做细微的算法改动甚至视频标准更新越来越快的趋势，这样的针对性设计通用性不强，生命周期短，很容易遭到淘汰。 因此面向特定功能的通用性结构研究不仅能够缩短视频解码过程中某些特定功能子单元的开发周期，而且使得按照通用性原则设计的系统便于重新利用，符合现今系统设计可重用的基本原则。 根据视频的编解码算法特性，一般的视频解码器可以分为三种典型的任务：以运算为主，控制简单的低级任务，当运算要求很高的时候我们可以称之为运算密集型任务；运算简单，但是控制复杂，任务内部子状态繁多，而且跳转依赖于输入数据而无规律，这类任务我们可以称之为数据依赖型任务，属于中级任务；运算简单而无规则，复杂度主要集中在控制多个任务协同进行以完成某一特定功能的简单系统型任务，属于高级任务。 这三类任务大致构成了整个视频解码系统，本文从面向特定功能的通用性原则出发，以根据视频编解码算法特性划分的三类任务为研究对象，从结构设计学和方法论的角度分别对这三类任务的典型代表亚像素插值，变长解码和运动补偿子系统做了通用型结构设计和研究。其中包括了运算密集型任务的通用结构设计，变长解码的经典结构以及为了兼容更新标准的通用性结构改进以及简单系统的一般设计规则。从更高的通用性层次上，还涉及到可编程抽象有穷状态机和基于通用性IP互联的初步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• §1.1 视频编解码原理及其应用
• §1.1.1 经典图像编码方法
• §1.1.2 常用视频标准一览
• §1.1.3 视频技术发展的趋势和展望
• §1.2 视频解码芯片设计相关理论
• §1.2.1 VLSI和SOC背景知识
• §1.2.2 数字系统设计基础理论
• §1.2.3 视频解码器的设计方法
• §1.3 本研究的意义及论文主要内容
• 第二章 视频解码器结构分析
• §2.1 算法分析及体系结构设计
• §2.1.1 基于视频编解码算法特性的任务分类
• §2.1.2 体系结构分类及设计策略
• §2.2 视频解码器的通用结构的映射原则
• §2.2.1 规则算法的映射—阵列处理机
• §2.2.2 重复性运算的映射—基于查表的设计
• §2.2.3 基于算法特性和等价运算的优化设计
• §2.3 通用视频解码器结构
• §2.3.1 CISC／RISC／DSP
• §2.3.2 超标量结构／VLIW结构／向量处理机
• §2.3.3 SIMD／MIMD结构
• §2.3.4 通用视频解码器的混合结构
• §2.4 本章小结
• 第三章 运算密集型任务的通用性研究
• §3.1 运算密集型任务
• §3.2 多标准亚像素内插过程研究
• §3.2.1 内插过程介绍及其意义
• §3.2.2 专用单元内插结构设计与探讨
• §3.3 通用内插单元的结构设计
• §3.3.1 系统分析和描述
• §3.3.2 通用结构设计
• §3.3.3 测试仿真及优化
• §3.4 运算型任务的通用设计方法
• §3.5 本章小结
• 第四章 数据依赖型任务的通用性研究
• §4.1 数据依赖型任务
• §4.2 变长解码及其经典结构设计
• §4.2.1 变长解码简介
• §4.2.2 变长解码的经典结构介绍
• §4.2.3 外围部件的优化策略
• §4.3 结构的通用性扩展
• §4.3.1 经典结构的缺陷
• §4.3.2 基于编码特性的串并行结合的通用性解码结构设计
• §4.3.3 视频变长解码过程的共性
• §4.4 通用可编程状态机的初步研究
• §4.4.1 抽象有穷状态机
• §4.4.2 基于可编程逻辑器件的状态机模型
• §4.4.3 状态机设计的一般规则
• §4.5 本章小结
• 第五章 简单系统型任务的通用性研究
• §5.1 简单系统型任务
• §5.2 内部互联确定的系统型任务通用设计方法
• §5.2.1 运动补偿系统通用结构设计
• §5.2.2 简单系统型任务的通用性设计方法
• §5.3 内部互联结构不确定的系统型任务初步研究
• §5.3.1 处理系统的互联需求
• §5.3.2 常用互联结构及SoC常用总线技术比较
• §5.3.3 基于Wishbone总线的视频处理系统
• §5.4 互联结构在视频解码器中的应用
• §5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间录用和发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间参加的科研工作
• 致谢