H.264中插補(bǔ)算法的VLSI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.2 亮度1/4像素插補(bǔ)電路

　　亮度1/4像素的線性插補(bǔ)可以用一個(gè)加法器和一個(gè)移位器實(shí)現(xiàn)。圖4為4×4塊1/4像素插補(bǔ)電路的結(jié)構(gòu)圖，采用兩級(jí)流水線，輸入部分為18個(gè)像素點(diǎn)，利用線性插補(bǔ)生成所需要的1/4像素位置像素。在圖中虛線框部分可以計(jì)算出最佳1/2像素點(diǎn)周?chē)乃?有1/4像素點(diǎn)，輸出給并行處理單元計(jì)算9個(gè)1/4像素位置的SAD。該架構(gòu)完成一個(gè)4×4單元需要6個(gè)時(shí)鐘，完成一個(gè)具有相同運(yùn)動(dòng)矢量的4×16塊需要18個(gè)時(shí)鐘。

　　H.264的幀間預(yù)測(cè)中，一個(gè)宏塊(MB)可劃分成16×16、16×8、8×16、8×8、8× 4、4×8、4×4不同模式。這7種模式都可以劃分為16個(gè)4×4塊分別進(jìn)行處理。具有相同整像素運(yùn)動(dòng)矢量的縱向相鄰4×4塊可以連續(xù)處理以節(jié)省時(shí)鐘數(shù)。表1列出了亮度為1/2像素插補(bǔ)和1/4像素插補(bǔ)時(shí)流水線處理一個(gè)宏塊不同模式分別需要的時(shí)鐘數(shù)。

　　2.3 色度1/8像素插補(bǔ)電路

　　如果利用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)色度1/8像素精度的插補(bǔ)電路，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)運(yùn)算都要用到8個(gè)乘法器，無(wú)論是面積還是時(shí)間都會(huì)有很大的開(kāi)銷(xiāo)。變換公式(7)可得公式(8)，可以看出其中含有如(9)式所示的公共運(yùn)算單元。

　　a=round{{(8-y)[(8-x)×A+x×B]+y[(8-x)×C+x×D]}/64}　　　　　　　　(8)
　　cf=(8-h)×M+h×N　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)

　　硬件設(shè)計(jì)采用兩級(jí)處理的結(jié)構(gòu)，采用圖5所示的CU單元處理公式(9)，色度1/8插補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于該結(jié)構(gòu)的兩級(jí)間比較平衡，非常容易插入寄存器以減少關(guān)鍵路徑的延時(shí)。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　使用VerilogHDL對(duì)本文中提到的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，仿真工具使用VCS7.2，綜合工具使用Synopsys Design Compiler(SMIC 0.18μm工藝)。

　　文獻(xiàn)[4]中使用6抽頭FIR的4×4塊插補(bǔ)電路流水線結(jié)構(gòu)，與本文使用的4抽頭FIR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，其電路性能如表2所示。本文的設(shè)計(jì)在速度和面積方面均具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。使用H.264參考軟件JM7.3分別對(duì)亮度1/2像素插補(bǔ)運(yùn)算中使用6抽頭FIR和4抽頭FIR進(jìn)行仿真比較，采用了4個(gè)視頻序列Container、Foreman、News和Tenis。其中每個(gè)序列由30個(gè)QCIF (Quarter Common Intermediate Format)幀組成，序列形式為IBBPBBPBBP。H.264主要檔次，搜索半徑16，使用5個(gè)參考幀。4抽頭FIR與6抽頭FIR圖像質(zhì)量比較如表3所示。表中△b為平均碼率的增加，△P為峰值信噪比(PSNR)的增加?？梢钥闯?，使用4抽頭FIR對(duì)圖像質(zhì)量和比特率的影響非常小。

　　與其他的設(shè)計(jì)方法相比較，本文提出的色度1/8像素的插補(bǔ)電路可以很大程度上節(jié)省硬件資源。其性能比較如表4所示。與文獻(xiàn)[5]中的設(shè)計(jì)相比，本文的設(shè)計(jì)關(guān)鍵路徑延時(shí)僅增加了1.5%，門(mén)數(shù)減少了26%。

　　本文介紹了亮度1/4像素精度下，最常用的4:2:0采樣模式時(shí)插補(bǔ)電路的硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)4抽頭 FIR代替6抽頭FIR來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度1/2像素插補(bǔ)，通過(guò)移位器和加法器組成的兩級(jí)處理結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)色度1/8像素插補(bǔ)，設(shè)計(jì)的電路具有面積小、速度快的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上基于功耗和性能考慮的4×4塊的流水線結(jié)構(gòu)具有良好的可重用性，可作為硬件加速器用于基于H.264的編解碼系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)

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4 Chen T C，Huang Y W，Chen L G.Fully utilized and reusable architecture for fractional motion estimation of H.264/AVC.In：Proc of ICASSP，2004
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