CN102075759B - 视频解码应用中动态存储器的低功耗编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种视频解码应用中动态存储器的低功耗编码方法，包括：S1，计算视频解码后的图像与原图像间的误差分布数据、解码图像和原图像的图像质量数据，同时计算将解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与原图像间的误差分布数据；S2，以解码图像的8比特数据为基本单位，计算基本单位中“1”的数目；S3，根据“1”的数目对解码图像进行编码；S4，读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对编码数据进行解码，同时根据S1的结果确定解码后数据最末位是置“1”还是置“0”。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种视频解码应用中动态存储器的低功耗编码方法。
背景技术
随着互联网，通信技术、数字多媒体业务的高速发展，人们对于视频的需求越来越大，如：数字电视，手机视频，视频会议，视频监控等等。思科的分析预测报告提出到2014年，视频总量将突破全球消费者流量的91%。并且人们对视频应用在图像质量和临场感方面提出了更高的要求，目前视频处理正向高清和三维立体发展，视频处理在复杂度和数据量上正在急剧增加。
随着集成电路的迅速发展，视频处理器的计算能力得到了很大的提升，但在存储器的发展上速度却相对比较缓慢。嵌入式视频处理需要增大存储来支持视频处理中大数据量的读取和存储操作，存储成为视频处理中的瓶颈，特别是在嵌入式应用中，功耗是一个设计的关键因素，降低存储功耗是整这个嵌入式视频处理中的重要问题。
在视频解码处理中，需要对参考帧进行存储，参考帧的数据量巨大，若存储在片上SRAM（静态RAM）将导致巨大的面积和功耗的开销。一般采用片外存储器对参考帧数据进行存储，且大量数据在处理单元和片外存储器之间进行传输，片外存储器功耗在整个视频解码功耗占很大比重。
片外存储器普遍采用SDRAM（Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，同步动态随机存储器），SDRAM的基本结构如图1所示。SDRAM采用多块（bank）的结构，各块共享数据和地址I/O端口，其中每个块包括行地址解码器和列地址解码器，灵敏放大器（S-AMP）和电容式存储的阵列，数据存储在电容上。
SDRAM的操作包含读/写访问，刷新，行激活和预充电等主要操作。SDRAM的功耗主要是动态功耗，动态功耗主要包含行激活，读写访问和预充电操作中的功耗。目前有很多方法用于降低SDRAM各种操作下的动态功耗，其中嵌入式数据压缩是一个比较有效的方法，主要是分析视频数据的冗余，对数据进行压缩减少数据访问次数，从而达到减少动态功耗的目标。这种方法实现相对复杂，集成到视频处理中，需要对整个系统的时序和控制进行修改，目前急需一种简单高效的方法。
SDRAM存储器是由基本单元阵列构成，通过基本单元中电容上存储的电荷来区分‘0’和‘1’，当需要存储的数据不同时，操作过程中的功耗也不一样。存储器的基本单元如图1所示，它可分为三个部分：NMOS的开关，灵敏放大器，电容。行地址线和列地址线控制NMOS的门，从而控制电容的选通，完成相应的充放电操作。当处于读/写操作模式，行地址线和列地址线使NMOS晶体管选通，比特数据线与电容通过灵敏放大器连通。当数据位为‘1’，电容需要通过灵敏放大器根据读/写操作进行充放电。相反数据位为‘0’时，不需要进行充放电操作。由于存储单元存在漏电流，电容上存储的电荷会泄漏。当存储的数据为‘1’，需要刷新操作保持存储数据，而‘0’数据不存在电荷的损失。除此之外，读/写访问后还需要预充电操作，预充电主要是数据重写的，因此，如果存储的数据是‘1’，电容需要进行充放电操作。可以看出数据‘1’在读/写操作，预充电和刷新上需要功耗，而数据‘0’几乎没有功耗，并且读/写操作和刷新是SDRAM功耗的主要来源，减少了数据中‘1’的数目可以大大节省SDRAM的功耗。因此可以充分利用SDRAM存储器不同存储内容下功耗不同的特性进行有效的低功耗设计。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种SDRAM的编码结构，以解决片外存储器的数据位宽不灵活可变的问题。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种视频解码应用中动态存储器的低功耗编码方法，包括以下步骤：
S1，计算视频解码后的解码图像与视频编码前的原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，同时分别计算将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据；
S2，以所述解码图像的8比特数据为基本单位，计算基本单位中“1”的数目；
S3，根据所述基本单位中“1”的数目对所述解码图像进行编码；
S4，读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码，同时根据步骤S1的计算结果确定解码后的数据的最末位是置“1”还是置“0”。
其中，步骤S1中，以图像的8比特数据为基本单位，计算视频解后的解码图像与视频解码前的原图像之间的像素点数据差值，从而得到所述解码图像和原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，以及将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据。
其中，步骤S2具体为：若所述基本单位中“1”的数目大于4，则对所述基本单元进行翻转变换，将标志位置为“1”，否则，保持所述基本单元不变，将标志位置为“0”，同时添加标志位以替换所述基本单元的最末位，将替换后得到的解码图像的8比特数据作为编码数据进行输出。
其中，步骤S4中读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码具体为：若标志位为“1”，对编码数据进行翻转，否则，保持编码数据不变。
其中，所述动态存储器为同步动态随机存储器SDRAM。
其中，所述视频解码为基于MPEG-2解码器或H.264解码器的视频解码。
（三）有益效果
本发明提出了一种简单、有效、低功耗的SDRAM的编码结构，主要是根据片外传输数据中‘1’的数目进行编码，从而减少传输数据‘1’的数目，以降低SDRAM的功耗。同时在编码过程中充分利用了视频处理的容错和有损的特征，把编码算法的标志位嵌入到数据中，保证了片外传输数据位宽不变，解决了片外存储器的数据位宽不灵活可变的问题。由于视频编解码过程是有损的，解码后图像和编码前原图像存储在误差，本发明中通过解码图像和原图像间的误差分析，避免了编码算法的标志位所替换的1比特数据信息损失。
附图说明
图1是现有的SDRAM基本结构；
图2是本发明的方法流程图；
图3是使用本发明的方法实现的MPEG-2解码系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提出的编码方法流程如图2所示，包含以下步骤：
S1，计算视频解码后的解码图像与视频编码前的原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，同时分别计算将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据；
S2，以所述解码图像的8比特数据为基本单位，计算基本单位中“1”的数目；
S3，根据所述基本单位中“1”的数目对所述解码图像进行编码；
S4，读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码，同时根据步骤S1的计算结果确定解码后的数据的最末位是置“1”还是置“0”。若解码图像的8比特数据的最末位置“1”后的图像质量较好且与所述原图像之间的误差分布数据较均匀，则将解码后的数据的最末位置为“1”，否则置为“0”。可通过预设的指标的阈值（可以为峰值信噪比PSNR）来判断图像质量是否满足“较好”，以及误差分布数据是否满足“较均匀”的要求。
其中，步骤S1中，以图像的8比特数据为基本单位，计算视频解后的解码图像与视频解码前的原图像之间的像素点数据差值，从而得到所述解码图像和原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，以及将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据。
其中，步骤S2具体为：若所述基本单位中“1”的数目大于4，则对所述基本单元进行翻转变换（比如，11011110的比特数据，翻转变换之后变成01111011），将标志位置为“1”，否则，保持所述基本单元不变，将标志位置为“0”，同时添加标志位以替换所述基本单元的最末位，将替换后得到的解码图像的8比特数据作为编码数据进行输出。
其中，步骤S4中读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码具体为：若标志位为“1”，对编码数据进行翻转（比如，11011110的比特数据，翻转变换之后变成01111011），否则，保持编码数据不变。
利用本发明的编码方法可以实现嵌入式视频编码结构，其可以用Verilog RTL实现，并在0.18um的CMOS工艺下进行综合，实验数据表明，编码结构中，数据编码模块规模为200门，数据解码模块规模为77门，与视频解码系统百万门规模相比，本发明的消耗可忽略不计。
图3是使用本发明的方法实现的MPEG-2解码系统结构示意图，与传统的MPEG-2解码系统不同在于在参考帧读取、图像重建和图像显示控制模块与存储控制器之间添加了数据编码模块或数据解码模块。利用本发明实现的编码结构集成到传统的MPEG-2解码系统，传统MPEG-2解码系统中所有模块不需要进行任何的修改，也不需要额外的系统修改，对系统时序和控制无任何影响，实现简单，因此能够简单、快速和高效地集成到视频解码系统中。
为了进一步验证本发明方法的有效性，使用了不同尺寸的各种不同的图像样本进行实验：QCIF（176x144），CIF（352x288），704x576和1080p（1920x1080），图像格式是4:2:0的YUV色差格式。采用MPEG-2的C标准编码器对图像进行编码得到数据码流，而片外存储器采用32位的SDRAM存储器。
如表1、2的实验结果表明，本发明所提出的编码方法能减少SDRAM存储数据中‘1’的数目20%～35%，同时这种方法不仅没有降低视频图像的质量，反而PSNR（Peak Signalto Noise Ratio，峰值信噪比）平均提高了1.5db，且肉眼看不出图像质量的变化，图像质量保持不变。表1、2中的QCIF和CIF是两种标准化图像格式。
表1 SDRAM存储“1”的数目
| 原始SDRAM存储数据 | 优化SDRAM存储数据 | 优化百分比 | |
| QCIF | 161116 | 106788 | 33.7% |
| CIF | 642322 | 421221 | 34.4% |
| 704*576 | 2431492 | 1781247 | 26.7% |
| 1080p | 11549079 | 9377436 | 18.8% |
表2解码图像的PSNR（单位：db）
上面的SDRAM存储“1”的数目减少情况是基于MPEG-2解码器统计的，本发明所述的结构也同样适用于其他视频解码标准，例如H.264解码等。
综上所述，在视频编解码中，本发明对片外存储数据进行编码，使写入片外存储器数据中“1”数据量减少20～30％，同时对图像质量PSNR有一定的提高，图像质量主观保持不变。本发明所述的结构减少了视频解码过程中片外存储器的能耗，并且对原视频解码系统的结构无效任何修改，实现简单。同时，目前存储器的发展速度落后于CMOS电路的计算发展速度，存储是嵌入式系统中的关键因素，本发明也可以缓解存储器在系统中造成的功耗瓶颈问题。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (5)
1.一种视频解码应用中动态存储器的低功耗编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算视频解码后的解码图像与视频编码前的原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，同时分别计算将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据；
S2，以所述解码图像的8比特数据为基本单位，计算基本单位中“1”的数目；
S3，根据所述基本单位中“1”的数目对所述解码图像进行编码；
所述步骤S3具体为：若所述基本单位中“1”的数目大于4，则对所述基本单位进行翻转变换，将标志位置为“1”，否则，保持所述基本单位不变，将标志位置为“0”，同时添加标志位以替换所述基本单位的最末位，将替换后得到的解码图像的8比特数据作为编码数据进行输出；
S4，读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码，同时根据步骤S1的计算结果确定解码后的数据的最末位是置“1”还是置“0”。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体为：以图像的8比特数据为基本单位，计算视频解码后的解码图像与视频解码前的原图像之间的像素点数据差值，从而得到所述解码图像和原图像之间的误差分布数据、所述解码图像和原图像的图像质量数据，以及将所述解码图像的8比特数据的最末位置“1”和置“0”后的图像的质量数据及其与所述原图像之间的误差分布数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中读取输出的编码数据，根据编码数据最末位的标志位对该编码数据进行解码具体为：若标志位为“1”，对编码数据进行翻转，否则，保持编码数据不变。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态存储器为同步动态随机存储器SDRAM。
5.如权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述视频解码为基于MPEG-2解码器或H.264解码器的视频解码。
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