CN1615021A - 高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置 - Google Patents
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Abstract
一种视频解码领域内的MPEG－2高清解码芯片运动补偿装置，包括：前置解码层、内部循环层、外部循环层、分别与前置解码层和内部循环层相连的运动矢量存储器、分别与内部循环层相连的预测样本存储器，前置解码层位于整个装置的输入端，它主要完成运动矢量解码，内部循环层与前置解码层通过运动矢量存储器相连，它主要完成形成预测样本，外部循环层位于整个装置的输出端，它与内部循环层通过预测样本存储器相连，用于完成预测样本和系数数据求和。本发明充分利用运动补偿算法的特点，将MPEG－2高清解码芯片运动补偿算法分层实现，从根本上解决了现有技术控制复杂、实时实现困难及硬件资源占用过多的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种视频解码领域内的运动补偿装置，具体地说是一种高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置。
背景技术
自从MPEG-2标准制定以来，由于它的出色性能表现，已经被公认为是比较成功的运动图像压缩标准，它不仅成为高清晰度数字电视信源压缩编码的标准，而且也在多方面得到实际的应用。运动补偿是MPEG-2中的关键技术之一。它大大减小了图像序列的时间冗余度，使MPEG-2达到很高的压缩比，但在MPEG-2高清晰度数字电视解码芯片的实际硬件实现中，由于运动补偿模式众多，在实现中对外部帧存的存取数据量非常大；而且，由于算法中各操作数据间前向依赖性强，所以运动补偿模块是整个MPEG-2高清晰度数字电视解码芯片中占用资源最大，解码时间最长的部分，它性能的好坏直接决定了整个解码器的性能。
经对现有技术的文献检索发现，1995年10月第5卷的《电路与系统之视频技术》(IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEOTECHNOLOGY，VOL5，NO.5，OCTOBER，1995)发表了Toshihiro Masaki等撰写的《MPEG2高清晰度数字电视视频解码中逆余弦变换和运动补偿的VLSI实现》(《VLSI Implementation of Inverse Discrete Cosine Transformer and MotionCompensator for MPEG2 HDTV Video Decoding》)一文，该文提出了一种基于并行运算的运动补偿实现装置。在这种装置中，高清解码芯片的运动补偿装置包含运动矢量解码、参考样本存储器以及预测发生器等功能子模块。这种装置虽然能够并行执行运动补偿中的形成预测操作和求和运算操作，但由于外部帧存带宽的限制，它必须等待前向和后向全部参考样本串行输入完毕后，才能进行运动补偿的形成预测和求和运算。这不但要额外增加资源放置先输入的参考样本，使控制复杂，而且由于并行的运算需等待串行的数据输入，所以从整体看，此方法依然是串行实现方案。整个模块时间特性不会有很大地提高。另外，由于运动补偿对外部帧存占用的连续时间较长，从而使帧存长时间不能响应解码器的其他功能模块的读写请求。所以，为了保证整个解码器的实时性，必然要加大解码器其他模块中存储器的容量，从而增加硬件资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，使其充分利用运动补偿算法的特点，在保证硬件实现时间特性的前提下，占用最少的硬件资源。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：前置解码层、内部循环层、外部循环层、分别与前置解码层和内部循环层相连的运动矢量存储器、分别与内部循环层相连的预测样本存储器。其中，前置解码层位于整个装置的输入端，它主要完成运动矢量解码功能；内部循环层与前置解码层通过运动矢量存储器相连，它主要完成形成预测样本功能；外部循环层位于整个装置的输出端，它与内部循环层通过预测样本存储器相连，用于完成预测样本和系数数据求和功能。
所述的前置解码层包括：运动矢量解码子模块和运动矢量解码控制子模块。运动矢量解码子模块根据装置外部输入的运动矢量参数完成运动矢量计算功能。它的输入信号包含：来自装置外部的运动矢量参数、来自本层运动矢量解码控制子模块运动矢量解码开始信号。它的输出包含送往运动矢量存储器的运动矢量。
运动矢量解码控制子模块完成以下功能：根据装置外部输入的运动矢量参数有效指示信号产生运动矢量解码开始信号；产生运动矢量存储器的写使能信号和写地址；产生运动矢量有效信号。运动矢量解码控制子模块输入信号包含：来自装置外部运动矢量参数有效指示。它的输出信号包含：送往本层运动矢量解码子模块的运动矢量解码开始信号、送往运动矢量存储器的写使能信号和写地址、送往内部循环层内部循环控制子模块的运动矢量有效信号。
所述的运动矢量存储器是前置解码层与内部循环层间的数据接口，用于保存前置解码层计算得到的运动矢量。它的输入包含：来自前置解码层运动矢量解码子模块的运动矢量、来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的写使能信号和写地址、来自内部循环层内部循环控制子模块的读使能和读地址。运动矢量存储器的输出包含送往内部循环层参考区地址产生子模块的运动矢量。
所述的内部循环层包括：参考区地址产生子模块、参考样本存储器、形成预测子模块和内部循环控制子模块。
参考区地址产生子模块根据运动矢量存储器中运动矢量计算产生相应的参考区地址。参考区地址产生子模块输入信号包含：来自运动矢量存储器的运动矢量、来自本层内部循环控制子模块参考区地址计算开始信号。参考区地址产生子模块输出信号包含送往装置外部帧存的参考区地址。
参考样本存储器位于内部循环层中，它是装置外部帧存和装置数据接口，用于保存装置外部帧存写入的参考样本。它的输入信号包含：来自装置外部帧存的参考样本、来自本层内部循环控制子模块的写使能信号和写地址、来自本层内部循环控制子模块的读使能信号和读地址。它的输出信号包含送往本层形成预测子模块的参考样本。
形成预测子模块在内部循环控制子模块控制下完成预测样本计算功能，它的输入信号包含：来自本层参考样本存储器的参考样本、来自本层内部循环控制子模块的形成预测开始信号。形成预测子模块输出信号包含：送往预测样本存储器的预测样本、送往本层内部循环控制子模块的形成预测计算完毕信号。
内部循环控制子模块完成以下功能：产生内部循环层各子模块的控制信号；产生运动矢量存储器的读使能信号和读地址；产生参考样本存储器的读写使能信号和读写地址；产生预测样本存储器的写使能信号和写地址；产生当前预测完成信号送往外部循环层预测数目计数子模块；产生对装置外部帧存的读请求信号。内部循环控制子模块输入信号包含：来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的运动矢量有效信号、来自本层形成预测子模块的形成预测计算完毕信号、来自装置外部帧存的写参考样本开始信号、来自装置外部帧存的参考样本写入完毕信号。它的输出信号包含：送往运动矢量存储器的运动矢量存储器读使能信号和读地址、送往本层参考区地址产生子模块的参考区地址计算开始信号、送往本层参考样本存储器的参考样本存储器写使能信号和写地址、送往本层参考样本存储器的参考样本存储器的读使能信号和读地址、送往本层形成预测子模块的形成预测开始信号、送往预测样本存储器的预测样本存储器写使能信号和写地址、送往外部循环层预测数目计数子模块的当前预测完成信号、送往装置外部帧存的装置外部帧存读请求信号。
预测样本存储器是内部循环层与外部循环层间的接口，它用于保存形成预测子模块计算产生的预测样本。预测样本存储器输入信号包含：来自内部循环层形成预测子模块的预测样本、来自内部循环层中内部循环控制子模块的写使能和写地址、来自外部循环层外部循环控制子模块的读使能和读地址。它的输出信号包含送往外部循环层系数数据和预测样本求和子模块的预测样本。
所述的外部循环层包含系数数据和预测样本求和子模块、预测数目计数子模块、外部循环控制子模块。
系数数据和预测样本求和子模块完成系数数据和预测样本的求和运算，产生装置输出的解码样本。它的输入信号包含：来自装置外部的系数数据、来自预测样本存储器的预测样本、来自本层外部循环控制子模块的求和开始信号。它的输出信号包含：送往本层外部循环控制子模块的求和结束信号、送往装置外部的解码样本。
预测数目计数子模块产生全部预测完成信号。它的输入信号包含：来自装置外部的预测数目总数、来自内部循环层内部循环控制子模块的当前预测完成信号。它的输出信号包含送往本层外部循环控制子模块的全部预测完成信号。
外部循环控制子模块完成以下功能：产生系数数据和预测样本求和子模块求和开始信号；产生预测样本存储器的读使能信号和读地址。外部循环控制子模块输入信号包含：来自本层预测数目计数子模块的全部预测完成信号、来自本层系数数据和预测样本求和子模块的求和结束信号。它的输出信号包含送往本层系数数据和预测样本求和子模块的求和开始信号、送往预测样本存储器的读使能和读地址。
本发明根据MPEG-2高清解码器运动补偿算法操作前向依赖性强，执行不同操作所需时钟周期数相差很大的特点，将MPEG-2高清解码芯片运动补偿算法所涉及的操作安排到前置解码层、内部循环层、外部循环层等三个不同的层次执行。其中各层内部的操作顺序执行，而不同层内操作可以并行执行。
本发明具有突出的实质性特点和显著进步在于，运动补偿算法所涉及的操作被安排在不同层次执行，各操作层次产生的中间数据以及装置外部帧存写入的参考样本先存入层间的缓存中。这样保证了操作间工作相对独立，从而可以使硬件设计非常灵活，各层次子模块设计上的变动不会对其他子模块造成大的影响；而且，由于对各层次操作的处理能力没有严格相同的限制，每个操作无需加入太长的延时，所以各操作可以尽可能早地被执行，整个模块的时间特性可以达到最佳。另外，由于各层次内部的操作在时间上顺序执行，所以不但控制简单，而且由于顺序工作方式对帧存的读取连续时间较短，所以大大减小了解码器其他模块存储器的容量，从而使硬件实现占用的资源达到最小。本发明从根本上解决了现有技术控制复杂、实时实现困难及硬件资源占用过多的问题。
附图说明
图1本发明结构框图
图2本发明具体实施的时间流程图
具体实施方式
如图1所示，本发明分为前置解码层、内部循环层、外部循环层三个层次。前置解码层包含运动矢量解码子模块和运动矢量解码控制子模块；内部循环层包含参考区地址产生子模块、参考样本存储器、形成预测子模块和内部循环控制子模块；外部循环层包含系数数据和预测样本求和子模块、预测数目计数子模块、外部循环控制子模块。各层产生的中间数据以及装置外部帧存写入的参考样本放置在存储器中。
在前置解码层中，装置外部输入的运动矢量参数有效指示信号是本层工作起点。此信号有效触发前置解码层运动矢量解码控制子模块产生运动矢量解码开始信号，前置解码层运动矢量解码子模块读入运动矢量参数计算运动矢量。当运动矢量计算完毕，前置解码层运动矢量解码控制子模块还产生运动矢量有效信号触发内部循环层工作；运动矢量存储器的写使能信号和写地址，将运动矢量存入运动矢量存储器。当计算产生的运动矢量被存入运动矢量存储器后，前置解码层等待来自装置外部的运动矢量参数有效指示信号以开始下一次运动矢量解码工作。
在内部循环层中，来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的运动矢量有效信号是本层工作的起点。此信号有效触发本层内部循环控制子模块产生参考区地址计算开始信号、运动矢量存储器读使能信号和读地址。本层参考区地址产生子模块由参考区地址计算开始信号触发开始工作，它读入运动矢量存储器中的运动矢量计算参考区地址。当参考区地址计算完毕，内部循环控制子模块产生送往装置外部帧存的读请求信号，等待外部帧存响应。来自装置外部帧存的写参考样本开始信号有效触发内部循环控制子模块产生参考样本存储器写使能信号和写地址，参考样本开始写入参考样本存储器。当全部预测样本存入预测样本存储器后，来自装置外部帧存的参考样本写入完毕信号有效，内部循环控制子模块产生的参考样本存储器写使能信号无效。同时，内部循环控制子模块产生预测样本存储器写使能信号和写地址以及形成预测开始信号。内部循环层形成预测子模块由形成预测开始信号触发开始计算预测样本，并将计算结果存入预测样本存储器中。当一次预测全部完成后，形成预测子模块的产生形成预测计算完毕信号触发内部循环控制子模块再次改变工作状态：预测样本存储器写使能信号变为无效；同时，产生送往外部循环层的当前预测完成信号。若此时来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的运动矢量有效信号有效，则内部循环层开始下一次形成预测工作。
在外部循环层中，来自内部循环层内部循环控制子模块的当前预测完成信号是本层工作起点。此信号有效，则本层预测数目计数子模块对预测数目进行计数并与来自装置外部的预测总数进行比较。如果预测数目与预测总数相等，则预测数目计数子模块预测数目清零。同时，预测数目计数子模块产生全部预测完成信号触发外部循环控制子模块产生送往系数数据和预测样本求和子模块的求和开始信号以及送往预测样本存储器的读使能和读地址。系数数据和预测样本求和子模块由求和开始信号触发读入预测样本和系数数据，用以求和产生解码样本。当全部解码样本计算完毕后，系数数据和预测样本求和子模块产生求和结束信号，外部循环控制子模块工作结束，等待下一个当前预测完成信号。
图2是本发明具体实施的时间流程图。其中①表示前置解码层运动矢量解码子模块运动矢量解码；②表示内部循环层参考区地址产生子模块参考区地址计算；③表示内部循环层内部循环控制子模块等待外部帧存响应；④表示将参考样本写入内部循环层参考样本存储器；⑤表示内部循环层形成预测子模块预测样本计算；⑥表示外部循环层预测数目计数子模块预测数目计数；⑦表示外部循环层系数数据和预测样本求和子模块系数数据和预测样本求和。
在本发明中，运动矢量存储器、参考样本存储器和预测样本存储器可采用通用的随机访问存储器双口RAM结构。
Claims (10)
1、一种高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征在于，包括：前置解码层、内部循环层、外部循环层、分别与前置解码层和内部循环层相连的运动矢量存储器、分别与内部循环层相连的预测样本存储器，前置解码层位于整个装置的输入端，它完成运动矢量解码，内部循环层与前置解码层通过运动矢量存储器相连，它完成形成预测样本，外部循环层位于整个装置的输出端，它与内部循环层通过预测样本存储器相连，用于完成预测样本和系数数据求和。
2、根据权利要求1所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，所述的前置解码层包括：运动矢量解码子模块和运动矢量解码控制子模块，运动矢量解码子模块根据装置外部输入的运动矢量参数完成运动矢量计算，它的输入信号包含：来自装置外部的运动矢量参数、来自本层运动矢量解码控制子模块运动矢量解码开始信号，它的输出包含送往运动矢量存储器的运动矢量；运动矢量解码控制子模块完成包括：根据装置外部输入的运动矢量参数有效指示信号产生运动矢量解码开始信号、产生运动矢量存储器的写使能信号和写地址、产生运动矢量有效信号，它的输入信号包含：来自装置外部运动矢量参数有效指示，它的输出信号包含：送往本层运动矢量解码子模块的运动矢量解码开始信号、送往运动矢量存储器的写使能信号和写地址、送往内部循环层内部循环控制子模块的运动矢量有效信号。
3、根据权利要求1所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，所述的运动矢量存储器是前置解码层与内部循环层间的数据接口，用于保存前置解码层计算得到的运动矢量，它的输入包含：来自前置解码层运动矢量解码子模块的运动矢量、来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的写使能信号和写地址、来自内部循环层内部循环控制子模块的读使能和读地址，运动矢量存储器的输出包含送往内部循环层参考区地址产生子模块的运动矢量。
4、根据权利要求1所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，所述的内部循环层包括：参考区地址产生子模块、参考样本存储器、形成预测子模块和内部循环控制子模块，参考区地址产生子模块根据运动矢量存储器中运动矢量计算产生相应的参考区地址，参考区地址产生子模块输入信号包含：来自运动矢量存储器的运动矢量、来自本层内部循环控制子模块参考区地址计算开始信号，参考区地址产生子模块输出信号包含送往装置外部帧存的参考区地址。
5、根据权利要求4所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，参考样本存储器位于内部循环层中，它是装置外部帧存和装置数据接口，用于保存装置外部帧存写入的参考样本，它的输入信号包含：来自装置外部帧存的参考样本、来自本层内部循环控制子模块的写使能信号和写地址、来自本层内部循环控制子模块的读使能信号和读地址，输出信号包含送往本层形成预测子模块的参考样本。
6、根据权利要求4所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，形成预测子模块在内部循环控制子模块控制下完成预测样本计算，它的输入信号包含：来自本层参考样本存储器的参考样本、来自本层内部循环控制子模块的形成预测开始信号，形成预测子模块输出信号包含：送往预测样本存储器的预测样本、送往本层内部循环控制子模块的形成预测计算完毕信号。
7、根据权利要求4所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，内部循环控制子模块完成：产生内部循环层各子模块的控制信号、产生运动矢量存储器的读使能信号和读地址、产生参考样本存储器的读写使能信号和读写地址、产生预测样本存储器的写使能信号和写地址、产生当前预测完成信号送往外部循环层预测数目计数子模块产生对装置外部帧存的读请求信号，其输入信号包含：来自前置解码层运动矢量解码控制子模块的运动矢量有效信号、来自本层形成预测子模块的形成预测计算完毕信号、来自装置外部帧存的写参考样本开始信号、来自装置外部帧存的参考样本写入完毕信号，它的输出信号包含：送往运动矢量存储器的运动矢量存储器读使能信号和读地址、送往本层参考区地址产生子模块的参考区地址计算开始信号、送往本层参考样本存储器的参考样本存储器写使能信号和写地址、送往本层参考样本存储器的参考样本存储器的读使能信号和读地址、送往本层形成预测子模块的形成预测开始信号、送往预测样本存储器的预测样本存储器写使能信号和写地址、送往外部循环层预测数目计数子模块的当前预测完成信号、送往装置外部帧存的装置外部帧存读请求信号。
8、根据权利要求1所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，所述的预测样本存储器是内部循环层与外部循环层间的接口，它用于保存形成预测子模块计算产生的预测样本，其输入信号包含：来自内部循环层形成预测子模块的预测样本、来自内部循环层中内部循环控制子模块的写使能和写地址、来自外部循环层外部循环控制子模块的读使能和读地址，它的输出信号包含送往外部循环层系数数据和预测样本求和子模块的预测样本。
9、根据权利要求1所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，所述的外部循环层包含系数数据和预测样本求和子模块、预测数目计数子模块、外部循环控制子模块，系数数据和预测样本求和子模块完成系数数据和预测样本的求和运算，产生装置输出的解码样本，它的输入信号包含：来自装置外部的系数数据、来自预测样本存储器的预测样本、来自本层外部循环控制子模块的求和开始信号，它输出信号包含：送往本层外部循环控制子模块的求和结束信号、送往装置外部的解码样本。
10、根据权利要求9所述的高清晰度数字电视解码芯片运动补偿装置，其特征是，预测数目计数子模块产生全部预测完成信号，它的输入信号包含：来自装置外部的预测数目总数、来自内部循环层内部循环控制子模块的当前预测完成信号，它的输出信号包含送往本层外部循环控制子模块的全部预测完成信号，外部循环控制子模块完成：产生系数数据和预测样本求和子模块求和开始信号、产生预测样本存储器的读使能信号和读地址，其输入信号包含：来自本层预测数目计数子模块的全部预测完成信号、来自本层系数数据和预测样本求和子模块的求和结束信号，其输出信号包含送往本层系数数据和预测样本求和子模块的求和开始信号、送往预测样本存储器的读使能和读地址。
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