TWI238650B - A MPEG-II video encoder assembly - Google Patents

Description

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Immm η 玉、.明說明（ 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種MPEG-II視訊編碼裝置，尤其是指 一種MPEG-II視訊編碼器主要子系統設計包括調適性編碼 控制及高效率移動估計器。 【先前技術】 按，近年來由於網際網路發展快速，其中多媒體信號更 把網際網路變得有聲有色，更富變化性，内容更充實。但是 由於多媒體夾雜著大量資料，使得傳輸速率大大下降，其速 度已慢得讓很多人都無法容忍，對網際網路發展無疑是一大 阻礙。而在多媒體資料中，又以視訊所帶資科量最爲龐大， 因此視訊壓縮器如MEPG及Η·26Χ標準，正爲許多研究單位， 學校及半導体廠商發展重心。但由於計算複雜度相當之大， 超過 100k MOPS(Million Operation Per Sec〇nd)。目前以 CPU爲基礎（based)之壓縮軟體，其解析度甚低且無法達即 時處理要求，造成畫面不連續及糢糊等現象，即使cpu速度 不斷變快，此問題在未來五年内依然很難解決；另一種以 ASIC爲基礎（based)之硬體壓縮適合獨立系統（34以ai。^) 之機器使用，目前雖然已經有絲國外廢商完成其晶片組， 2於無級率錄速鮮絲設計，麟其電路雜複度非 常南，造成晶片面積太大，同時壓縮品f很差。因此在價格 上及品質上都無法滿足使用者要求。 柯有鑑於此，視訊壓縮晶片不管在實用上或商業上都很値 得發展，一般而言，視訊壓縮晶片主要二大用途爲在通訊 本紙張用中國國家^^_A4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -丨魏——丨ί:-I訂 -----線- 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 3 1238650 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製

A7 B7 發明說明（i 系統上••包括電話視訊、視訊會議、遠距離敎學及多媒體網 際網路外，已經有部份NTSC電視台，爲了減少通過衛星所 4占廣播時間之頻寬’先經視訊壓縮再傳輸，如此可大量減少 通訊頻道以減少衛星租用金，同時在未來高畫質電視中，其 傳輸系統必然會使體儲存上••傳統之錄影機，採用磁帶配合 機械傳動及電子電路達到視訊儲存目的，由於此類比信號經 長時間使用，品質上會愈來愈差，不適合作長時間儲存，而 於目前以視訊壓縮技術完成之晶片配合記憶體即可達到錄 影目的，由於其重量遠比傳統機械式輕，在可提式構影機 上，將更受歡迎，目前曰本已有類似此產品，但價格爲傳統 式之2〜3倍，不過由於1C技術不斷進步及記憶體價格下降， 同時其數位信號可直接與電腦連線，使用上更爲方便，相信 未來純數位錄影系統必然取代機械式綠影。 另，由於編碼時每一個圖框位元率不同，須要用速度控 制器使輸出維持固定速率，同時又必須保証缓衝器不飽合或 空置，故必須適當調整量化參數及選擇較佳編碼模式以得較 侄編碼品質。在編碼時，移動估測器通常用來尋找前後圖框 之移動距離’以有效減少暫態上多餘資科。但移動估測器計 算量非常大，須配合快速演算法，以減少計算量。 【發明内容】 本發明之MPEG-II視訊編碼裝置，其主要係爲提昇MpEG 編碼品質及減少電路複雜度以達到即時實現目的，發明一種 調適性圖框群結構代替傳統固定型結構，當暫態相關性高 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)

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經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 發明說明（3 時，用較多p-及圖框編碼；反之當暫態相關性低時，甚 至發生視訊序改變時，即插入I圖框編碼以避免暫態失眞， 同時決定方塊編碼模式，量化量’緩衝器控制，圖棍模式決 定，輸出速率控制。在改進編碼速度上，新的移動估測器快 速全尋找法可提升1 2〜10倍效率，同時準確度甚至優於傳統 全尋找法，只須用8個運算單元，可尋找從-I27〜+127向量。 【實施方式】 首先，請參閲第一〜六圖所示，在視訊編碼上，一個 FIFO缓衝器用來解決編碼速度不同，緩衝器利用量可用下 列式決定： FIFO current =FIFO previous ^(Coding bu — Target bit) ^ (1) 其中爲目前編碼位元數；固定輸出位元 數，但編碼位元數不同於固定輸出位元數，須用缓衝器作調 節；由於緩衝器大小被限制，故必須要控制編碼位元數以避 免緩衝器發生飽和或間置。在MPEG系統中，圖框群結構採 用IBBPBBPBBPBBI。因此一個圖框群位元率爲： GOPbi t-rate =Σ(lb" ’ Pb“，Bbit)， (2) 其中Λ"，Λ"及及"爲編碼I，圖框之位元數。當 當暫態相關性低時，甚至發生視訊序改變時，則P及B圖框 會發生嚴重暫態失眞，若暫態相關性高時，用較多P-及B-圖框編碼可增加編碼品質；基於此觀念，一種調適性圖框群 結構被發明。正常時皆用P-及B-圖框編碼直到下列狀況發 1 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

匕、>>n細 、 * - ' ^previous ^ V (4) N —… N 其中么_，及仏二《«爲目前圖框前N個片段(Slice)與前_ 圖框前N個片段(Slice)平均量化値。嘗（4)成立時，則表j 視訊改變已偵測到，接著剩下之Slice皆用卜m〇de去編碼 並且下一個圖框前1^個Slice亦用I-mode編碼，接合前後雇 框補成一個完整卜圖框編碼〔如圖一所示〕，此固定値 由N=1不斷檢查直到整個圖框的片段(SHce)皆被檢查。 第二圖爲調適性圖框群結構。首先基本圖框群結相 A7 B7 發明說明（4) 際網路外，已經有部份NTSC電視台，爲了減少通過衛星所明 才用I圖框編碼： (1) 當緩衝器利用率很低時； (2) 發生視訊序改變時如人"》尸心-从"被發現。其中 户“爲P-frame之編碼位元數； (3) 當編碼累積誤差太大時如下列式： P(n)bit » ^ ^hiL rn 調適性圖框群結構決定編碼模式爲利用前面發生過圖框相關 性作計算。當相關性高時則用較多預測編碼以提升編碼品 質，一直到累積誤差太大或視訊序改變時，才改用本身模式 片段（I-Mode)編碼。累積誤差可由編碼位元率觀察得到。 爲即時要求，編碼時用Slice爲單位作監控；首先N爲片 丰又（Slice)數量，用目前圖框前N個Slice編碼位元數與前 一圖框前N個SI ice比較，如下式： 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 1 A7 B7

ΊΤ 明說明（Θ (BGOP)由一 I圖框，3個p圖框及8個b圖框合成，當BG〇p 結束，接著爲先進圖框群結構(AG〇p) ; AG〇p亦以12個圖框 爲單位，但沒有I圖框。AGOP之構成如下：

PeBBPBBPBBPBBPeBBPBB...........(5) 其中Pe爲加強型P圖框，其位元率大於一般p圖框，採用加 強型P圖框代替I圖框可以減少暫態多餘資訊及減少編碼位 元數，_累積誤差增加至某値或視訊改變被偵測到，AG〇p立 即結束，另一個BGOP開始。 在AGOP編碼時，局部方塊的暫態相關也許很低，因此預 測誤差會很大，並把誤差傳至下一個圖框，故在p及B圖框 之局部方塊須採用I-Mode編碼，利用移動估測後之平均絶對 差値（MAD)結果作判斷。當平均絶對値（MAD)値大時，表示方 塊暫態相關很低，其方塊編碼模式由下決定·· if MAD < Th0 and MV == 0t then inter(skip)m〇de < Else ifTh0 < MAD < Thlf then inter(MC -h DCTJmode ⑻ ^se if MAD > TJ^ and MV 笨 0，then intra mode 其中臨界値。當MAD很低及移動向量爲零時，採用 跳躍模式（Skip);反之，如果MAD很高及移動向量不爲零時， 採用I模式（Inta)。其他爲正常DCT+MC模式。 現在來規範不同圖框位元數之範圍，j圖框爲最基本參 考點，爲避免參考誤差傳送至P及B圖框，工圖框編碼位 元數給予較大以得較少失眞圖框編碼位元數決定於輸 出目標位元率（target rate)及圖框速率如下： 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1^38650 A7 B7 五、發明說明（g) (7) 其中/必及/尼爲最大及最小極限。當缓衝器利用率高時， 此値須減少。囡此I圖框量化値隨前一個編碼結果及缓衝器 利用率作調整。 編碼監控亦用Slice爲單位，首先設第一個slice量化値 爲：

Qi 2 xk (8)

其中‘及I爲系統最大及最小量化値；k値爲一常數決 定於圖框型態。在Slice之位元可決定於·· P ^IRh ____Target Rate NO—Shcex Frame Rate ^N〇 slices Frame Rat? L (9) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 其中一sy/ce爲一圖框之全部Slice數。如果Slice編 碼位元數符合（9)式，量化値不改變，否則下一個SHce 之量化値決定於： if Slice1, > -.^H^Target Rate_ ^ No _ Slice x Frame Rate5 - ％ + 丄， if Slicei <-ih^TarSetRate_ J (1〇) No 一 Slice x Frame Rate ’ Un+l 一 '， 其中Kand 爲目前Slice及下一個Slice量化値。因 此每一個圖可維持位元率平衡。 爲避免缓衡器飽合（overflow)或空置（underfl〇w)，須要有一 個缓衡器警告系統。並不須每一次Slice編碼去檢查缓衡器 8 ----— — ^1— ^·1ΙΙΙΙΙΙ« - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） |23865θ τ 五、發萌說明（7) 狀況。只須檢查利用率是否在〇· 8，如果不是則量化 値須調整如下： rifp0>8〇y〇i Ql^Q^2; ifP〇<,20%) Qi+】=Qi - 2; (11)

Others (lG)and(ll)式爲獨立調整量化値，因此量化値可由〇〜3。 接著考慮P圖框編碼位元率，由於P-圖框爲預測模式， 其位元率小於I圖框，且須設接近輸出目標位元率（target rate)附近如下： ~^^^PRH>Pbit >^J^,PRl (12)

Frame Rate Frame Rate 其中乃?〃 and /%爲p圖框爲最大及最小極限約在1附近。監 控時亦採用Slice爲單位如下： (—㈣峡—)義· X Frame Rate NO Slice x Frame Rate (13) 與I圖框類似，p圖框量化値決定於·· ifSliceP >_ΙβΗ target Rate 〇p^〇p+1.

No _ Slice x Frame Rate Λ+ n ’ 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 ^ if SliceP <_I^l target Rate 〇p^qp^V (14) n No 一 Slice 乂 Frame Rate ^Λ+1 % ，

Others QP+l 因此在一個GOP編碼期間，輸出位元率爲： 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） iTT發明說明（8)

Output bit—rate (15)

______________----；--；--^---------d、 (請先閲讀背面之注意事項蒋填寫本買) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 甘

Target Rate xNGOP

Frame Rate 服OP代表一個GOP之圖框數。希望達到等於 Ο/ί户…，使編碼保持平衡，因此下列必成立： !bu+3Pbit 祎Bbit^MeJ驗U (16)

Frame Rate 在此假設所有P圖框及B圖框用的位元數相同。因B圖框爲 雙向預測，其錯誤較少，I及P圖框用剩的位元數給B圖框 如下： (17) B圖框也須控制各Slice量化値，同時在P及B圖框也須 監視缓衡器情況作爲調整量化値之參數。 在AG0P結構中，加強型P圖框（pe)爲起始點其位置類似 在BG0P之I圖框。但基於暫態補償的關係，pe可用較少位 元數達到較高品質。可表示成：

{ Target Rate 、 Λ Λ …, Target Rate 、 n D ^NO^Slicex Frame Rate X e Slicen >{N〇 Slicex Frame Rate)X “ (18) 其中必a;,AGOP之P-及B-圖框位元數類似於 BGOP如（12)及（17)式。因Pe圖框位元數少於I圖框，但P-及B-圖框位元數可提升。故用動態補償原理，改善高相關性 才見訊品質。 基於上述理論，設計一個適用於MPEG系統中之編碼控制 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） Ι23865Θ ； j ㈣:1..2:— 五、1胡說明（g) 器，包括四個主要模組（1)圖框型態決定；（2)量化控制器 (quantization scaler) ’（3)視訊改變该測（scene change detection) ; U)方塊編碼模式。系統架構圖如圖3所示。各 模組的功能及介面如下 (1) 圖框型悲決定棋組：用State Machine產生 BGOP(〇—1->2->3->1-»2···)及 aGOP(5->1-»2->3->1*~>2···) 時序並用多工器選擇，其中0爲I圖框；5爲Pe圖框； 1爲P圖框；2，3爲前後B圖框。當收到圖框開始碼 (P-start)，先產生 BGOP 時序如 I pi B1 B2 P2 B3 B4···， 一直到第12圖框，AGOP接手。正常AGOP不斷使用，除 非遇到下列三種情況其中一個才停止（1)當視訊改變偵 測結果信號變成高準位；（2)量化控制器中rh信號 變成高準位，表示目前編碼誤差大；（3)從外面腳輸入 信號，此可提供較彈性設計。當AGOP停止， 用多工器切換成BGOP時序，因此用， rh and I_ insert 三個信號決用BGOP或AGOP結構。 (2) 量化控制器模組：量化控制器參考缓衝器狀況及目前 Slice編碼位元數。當收到S-start信號爲一 Slice起 點，可輸出前一個Slice位元率作統計並把結果給視訊 改變偵測模組；預設基本位元率爲l.2Mbit，使用4〇〇k bits 缓衝器，30 frames/sec and 352x288 解析度。當 設計規則改變，可用外界串接Si腳下載更新參數如下： 首先檢查4位元起始碼以確完是否要更新。順序爲先載 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

________________---------^---- -----^ . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ ：； r 1 B7 --- 五、發明說明（工)0 I 入上限位元率（i ) 16-bi t I圖框；（ii)i6-bit P圖框· (iii)16-bit Pe圖框；（iv)16-bit B圖框，接著再依序 I 載入下限値’依式（8)~(is)，用緩衝器利用率及比較目 前編碼位元率及預期位元率，以決定下一個Slice量化 値。量化値用S-bitsQ—MB代表方塊量化値，若QjtfB=1， 無量化，其他有2~31等級，此量化値亦可由外界控制， 如有重要信息方塊，可要求下降量化値改善編碼品質。 (3)視訊改變偵測模組••從量化控制器模組中收到幻丨“編碼 位元率及量化値，我們累加每個Slice位元率並平均量化 値，依式（4)檢查在P-orpe-圖框是否有視訊改變。任何 一個Slice發生視訊改變，則使信號變高準位，並 I 維持到下一個圖框之相對位置。信號除了給圖框型態 決疋模組外，尚須給量化控制器模組，使欲期編碼位元率 調至I圖框，因此接著用J方塊編p_〇rPe_圖框，一直到 sd信號變低準位。 U)方塊編碼模式模組··這個模組依式決定方塊編碼模 式，當收到起始碼(fsiari)信號，爲靳的方塊即將進行 編碼，可用此信號把前一個方塊經移動估測後之似以心抓 經 Abs〇_lute Difference)及 MV(motion vect〇r)結果記錄 | (latch)，下一個方塊編碼則依此計算出新的編碼模式及 g 量化値，爲減少1/0腳數，MAD量化成兩位元vc碼，而 | MV則用一個位元ZM碼偵測是否零向量(Zer。， 孟 當vc=i〇&ZM=〇，則前後方塊比對後仍有極大差値，因 ί 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） ___________——:—ί 訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 1238650 / 他 〇. ϊ Δ 五、發明說明（ 此採用！模式編碼，# VC，and ZM=1，前後方塊比對 後完全相同用模式編碼。當As vc=〇〇 and ZM=0，⑽模式編碼，其他情況則用 模式編碼。 當缓衝器在正常2〇%〜SO%利用率則用上述方塊模式編碼 及量化値，否則將被強迫更改，缓衝器利用率可用2-bit SB 代表，當SB=11，代表利用率超過S⑽，Pe_，p-andB_圖框用 with quantization)模式編碼以快速減少位元 率，當SB=l〇，爲正常2〇%〜8攸，依方塊編碼模式模組決定， 當 SB=01，表示只有10% 〜·利用率，用 /i?ier(jDC7v^with(>ut quantization)提升編碼品質，當SB=〇〇，低於1〇%利用率， 模式以避免缓衝器間置（underfl〇w)。 移動估測器可大幅減少時域多餘資料。我們發明新的調適 性全尋找珐可減少MAD運算子及降低方塊比對數目。一個運 算子PE爲： ΡΕζ"ΆΜ f j)-fui(i+mx ^ j+my)\ (19) 一個全尋找法每一個向量須有V PEs。接著如何減少pE 運算如下。當前面己比對過η個方塊，·其最少MAD値記錄爲 ^067)，當在比對方塊時，每一個PE運算結果累 加至MAD(nH/h塹存器，以表示MAD(n+j/h計 算到"，力)ίΑΡΕ· —旦發生尬+ ，胤 计算可以馬上停止，因此心大於直，故 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） ---------1# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------蜂 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 (22) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 1238650 五、發明說明（ 心丸?，方塊不可能爲最佳匹對，因此快速停止不可能向量的 計算’可提升運算速度，此效率可提昇p及^ = ，其十I爲 在姻刀停止點在"，位置所使用的全部卯數。 因尤常小於Λ^，故尋找速度可提升。 接著説明如何減少方塊比對數目，由於連績畫面相關性 高，可用迴遞式向量尋找法減少比對方塊。首先定義暫態向 l(TVD)爲目前及前一個畫面之向量距離差，如下式： 卿―卜ν&Γ1 -七2+(哪X)2， (20) 其中mv: and /m^1爲目前及前一個畫面^^方塊向量。再 定義空間向量距離差爲目前與零向量之距離差，如下式： SVD =| mvl ~mVn(0,0) |= ^mx^)2 +(ηιγ'η)2， （ 21) 其中w:(0,0) 方塊之零向量，在連續視訊，大都份物件沿 著相同方向移動，因此7TZ?〈51切通會存在。 當存在時，可用前一個畫面向量作爲目前尋 找向量之參考點，可減少尋找範圍。因此i^方塊向量可 成： ην^+δ(χ9γ) 在（X，y)目前及前一個畫面/方塊向量差値，因^已被 尋找，只須再找J(x，y)値即可得向量wv：;。而向量差可用 下列找到： y) = Jull ^ search(MV(0,0) = mv^ ). (23) 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • I— — — — —— — — — — — · I I I — II! *—— — 1— — —» I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 卢38650 A7 B7 五、發明說明（ 用前-畫面向量代替零向量作爲#找向量之中心點，使用迴 遞式方法，把前一畫面向量wvrl預存在記檍体中並每一畫質 處理後更新，目前向量就可由前一畫面向量與差値相加得 到，囡此只須計算差値，計算量可大幅下降，由於迴遞式向 量法，不斷累積前一個畫面向量信息，最後尋找的向量可超 越視窗限制，達到搜尋全畫面向量之閏標，因此只須用很小 搜尋視窗找到很大向量値，特别在高移動視訊可得較佳效果。 但是有時TTi? 並不存在，此時向量並不正確，影 響的不僅是目前畫面還有可能至後面所有畫面，爲解決此問 題，迴遞式搜尋加了限制，每一方塊首先決定視窗之中心向 ----------^------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 量點，如下： ^y) = Ml ^search(MV(090) (23) 其中and %!0(〇,〇)〖分别代表前一個畫面向量及目 前畫面零向量之MAD値。首先比較及値， 如果（23a)發生，則不存在，迴遞式搜尋立即停土’ 否則繼績使用迴遞式搜尋。 配合迴遞式搜尋，利用層次方塊結構以有效減少計算 量，因視訊向量變化很大，尋找視窗大；|、亦可隨之增加或減 少。可寫成： ’， (24) \lfMADk^ <Thk \Else k = k + 2

Stop Seaching Next Layer Searching 15 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 訂---------線· |123!6 顧 A7 B7 五、發靖說明（ 施經k層尋找法之最小抱刀，爲f層臨界値，設 瓜<Th <m... < m。初使的，經視窗2大小比對後得施& 値，若此値小於7¾，則可停止搜尋，否則須把視窗擴展成4 再作比對，如此當々ίΑ層視窗無法滿足要求時則繼績擴展視 窗大小，但實際運用，最大視窗須被限制。通常在高移動視 訊，移動向量大，因此相對尋找向量亦變大。 在視窗2，4，6分别須要比對π，81 and 169向量。若 最大視窗限制爲6，則全部方塊比對數目爲（TBMN)。 TBMN proposed xL2N+81 χΣ4Ν+169xL6N ， (25) 其中L2N，L4N and L6N爲全部使用視窗2，4，6方塊比對 總合。而傳統全尋找法須比對下面方塊·· ,ΜχΝ、

TBMN full: 16x16 ) x (2W +1)2 x frame#no (26) 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 M及N畫面大小；W視窗大小。因此尋找效率可提升爲： ηττη TBMNFllll SUR=-^― · (27) TBMN pr〇評 當迴遞式搜尋配合層次視窗可減少方塊比對數因，再配合MAD 計算限制，可減少PE運算子，因此全部尋找效率可提升爲： SE^SURxPEUR. (28) 因SUR>1及PEUR>1，尋找效率可高於傳統全尋找法。 基於上述演算法，設計適合MPEG-II系統之全尋找硬体 架構。如圖4所示，採用交替資料存取方法，配合8個PE， 每4 PE爲一組分成2個路徑（two paths)，分別爲PE0HPE3 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — — — III — — · i I I I I I 1 I 雇 — I — i I I 1一—— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 更 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 及PE4〜PE7 ’詳細跎模組如圖5所示包括4個暫存器耵〜以 並配合多工器及解多工器作資料存取，而輸入資料被分割成 兩群’以交替方式輸入路徑1及2如圖6。 當PE模組之交替控制腳爲低準位時，每個pE讀取耵及 R3値並相減’在路徑1的第1個時間得到lF (〇，〇)-Ft 1(〇， 0)1 ’ lFt(0，，1)卜 IMO，2)-Fw(〇，2)1 , lFt(〇 , 3)U〇 ’ 3)丨之和，其中仏及仏4目前及前一個畫面。而且， 在路徑2的第1個時間得到|F (〇，4)士 1(〇，4)卜丨F (〇， 5)-Fh(0 ’ 5)卜丨Ft(0，6)-Ft_i(〇 , 6)卜丨F (〇，7)-F i(〇， 7)丨之和’同時下一筆資料扒（〇,8)〜(〇，15)及扒1(〇,8)〜（(）， 15)載入每個PE之R2及R4。此時在路徑1及2之移位暫存 器速度爲累加器計算時間之4倍，在第2個時間，交替控制 腳爲南準位，多工器切換至讀取敗及以資料，故每個四計 算Ft(0，8)〜（〇，15)及Ft-1(0，8)〜（〇，15)差之和，同時下一 列資料Ft(l，0)〜（1，7)及Ft](1，〇)〜（〇 , 7)載入砬及趵 中。 圖4的控制部份主要執行歸計算限制，視窗層次控制處 理結合迴遞式搜尋方法，當收到開始（siart signal)信號， 則尋找迴路（searching l〇op)回到原始狀態把累加器清除爲 零，並且把MMAD値設最大，此MMAD暫存器爲在尋找過程中 儲存最小MAD。因此最佳匹對向量爲對應1^^1)値，在搜尋過 程中，每一週期路徑1及2計算結果送至累加器以求得Mad 値，MAD並末完全計算結果即每個週期與mmad相比，若比較 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ______________-----^---------線 ---------- I----III----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) __

3865® 1 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 五、發明截（！ )6 7結果爲高位準，則目前MAD立即停止，此時視窗層次控制 器送下一個向量給記檍体位置產生器以便讀取下一値方塊資 料’若經# V彡時序，所有方塊資料皆被計算，比較器結果 仍爲低位準，則目前MAD結果小於MMAD，此時向量較前一個 佳。視自層次控制器送“CK—Vector”命令更新MMAD暫存器及 MV暫存器以存目前MAD Y直及移動向量，此視窗層次控制器尋 找最佳向量時間並非固^，當尋找完畢，有—個，，如吻，，信號 告訴使用者。 視自層次控制器主要決定於醜AD値，當圓仙小於 Th2，乂即在視窗層次2就停止搜尋，並設”Read〆，信號。否 則繼續檢查直到理想結果或到達最大視窗層次，而迴遞式向 量決定使用零向量MV(0，0)或前一個晝面向量巧^娜作爲 視窗中心，若遞式向量被使用，則輸出向量爲目前向量加 上前一個畫面向量Pre-MV値，當遞式向量不斷使用，輸出 向量値會思來恩大’考慮I/O限制’用8腳表示向量，故可 含蓋·土 127向量。 综上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效， 又其所揭露之具體構造’不僅未曾見諸於同類產品中，亦未 曾公開於申請前’誠已完全符合專利珐之規定與要求，麦依 法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實 感德便。 消 费 合 作 社 印 製 18 -----------------------,--^---------^ - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^紙張尺度_巾關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） Α7 Β7 ττ 五、發明說明（1 7 【圖式簡單説明】 第一圖··圖框序於（n-l)th&nth改變時 第二圖··調適性圖框群結構 第三圖··控制晶片之系統架構 第四圖··移動估測器快速全尋找法之系統架構 第五圖：詳細運算單元圖 第六圖··資料讀取時序 --------------------；--^--^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） yiyw 四、中文發明摘要（發明之名稱：

MPEG-II視訊編碼裝置 本發明係有關於-種__π視訊編碼裝置，爲提昇 MPEG編碼品質及減少電路複雜度以達到即時實現目的，發 明一種調雜圖框群結構鱗傳_衫結構，當暫態相關 性高時，用較多P-及B-圖框編碼；反之#暫態相關性低 時，甚至發生視訊序改變時，即插入1圖框編碼以避免暫態 失眞，同時決定方塊編碼模式，量化量，緩衝器控制，圖框 模式決定’輸出速率控制。在改進編碼速度上，新的移動估 測器快速全尋找法可提升5〜10倍效率，同時準確度甚至優 於傳統全尋找法。只須用8個運算單元，可尋找從_127~+127 向量。 (請先聞讀背面之注意事項再各棚) :窝各5 英文發明摘要（發明之名稱： A MPEG-Π Video Encoder Assembly 訂 經 智 懇 財 產 局 貝 工 消

This invention advises a new rate control scheme to increase the coding efficiency for MPEG systems. Instead of using a static GOP (Group of Picture) structure, we present an adaptive GOP structure that uses more P- and B-frame coding, while the temporal correlation among the video frames maintains high. When there is a scene change, we immediately insert Intra-mode coding to reduce the prediction error. Moreover, an enhanced prediction frame is used to improve the coding quality in the adaptive GOP. This rate control algorithm can both achieve better coding efficiency and solve the scene change problem. Even if the coding bit-rate is over the pre-defined level, this coding scheme does not require re-encoding for real-time systems. For improving the coding speed and accuracy, an adaptive full-search 作 社 印 製 林張ΛΑ逡用中國國雜率（CNS ) ( 210X297公釐） A3 B5 垮、争文發赞摘丢（發明之名稱： 面 之 注 英文發明摘要（發明之名稱·· algorithm is presented to reduce the searching complexity with a temporal correlation approach. The efficiency of the proposed full search can be promoted about 5-10 times in comparison with the conventional full search while the searching accuracy remains intact. Based on the adaptive full search algorithm，a real-time VLSI chip is regularly designed by using the module base. For MPEG-II applications, the computational kernel only uses eight processing-elements to meet the speed requirement. The processing rate of the proposed chip can achieve 53k blocks per second to search -127 〜+127 vectors, in use of only 8k gates. 2 本纸張又度遠用中國《家樣準（CNS ) Λ4规格U10X297公釐） 訂 經濟部智洛財產局Μζχ消费合作社印製

Claims (1)

1. 經 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製

   申請專利範圍（1) 1· 一種MPEG-II視訊編碼裝置，其設有一個調適性圖框群 (GOP)結構’該圖框群(GOP)結構根據視訊相關性作調敕， 當視訊相關性高時，採用較多的預測編碼直到編碼累積有 差異才停止。 ' 2·申請專利範圍第1項所述MPEG-II視訊編碼裝置，其中， 該編碼累積有差異可爲編碼累積誤差太大，而編碼累積誤 差大小由位元率決定，當編碼累積超過臨界値，則圖框群 (GOP)結構須調整。 3·如申請專利範圍第1項所述MPEG-II視訊編碼裝置，其 中’該編碼累積有差異可爲視訊改變，而，視訊改變伐測 目前及前一個畫面之前面N個片段(Slice),用累加之位 元數及平圬量化値決定，當視訊改變被偵測到，前接著下 面的片段（Slice)皆用Intra模式編碼並伸展至下一個畫 面之前面N個片段（Slice)，利用片段(Slice)爲基本編碼 點，結合前後畫面成一個Intra畫面，不須重新編碼Intra 畫面。 4·如申請專利範圍第1項所述MPEG-II視訊編碼裝置，一個 調適性圖框群(GOP)結構包括一個基本圖框群(GOP)及很 多個先進圖框群(GOP)構成，一個基本圖框群(GOP)及先進 圖框群(GOP)皆由數畫面合成。 5·如申請專利範園第4項所述MPEG-II視訊編碼裝置，先進 圖框群(GOP)由加強型P畫面，數個正常P畫面及數個B 畫面合成，加強型P畫面位置與基本圖框群（G〇P) 20 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -Ϊ4· A8 B8 C8 D8 :38650 六、申請專利範圍（2) 之I畫面位置相同。 6·如申請專利範園第4項所述MPEG-II視訊編碼裝置，先進 圖框群(GOP)結束於視訊改變或累積誤差太大，並接著另 一個基本圖框群(GOp)開始。 7·如申請專利範圍第5項所述MPEG-II視訊編碼裝置，先進 圖框群(GOP)之加強型p畫面，正常P畫面及b畫面皆可 用Inta方塊編碼，由移動估測器的平均絶對差値(MAD) 結果及移動向量決定用何種方塊編碼。 8·—種MPEG-II視訊編碼裝置，其缓衡器速度控制監控於片 段(Slice)位元率及其利用率，下一個片段(siice)量化値 受控於目前片段(Slice)位元率及缓衝器狀態，即以片段 (Slice)作爲編碼位元率控制。 9 · 一種MPEG-II視訊編碼裝置，其中，編碼位元率平衡，先 決定I及P畫面位元率，再調整B畫面使整体圖框群(G0P) 位元率平衡。 1〇·如申請專利範圍第5項所述MPEG-II視訊編碼裝置，其 中，先進圖框群(GOP)之加強型P畫面位元率高於基本圖 框群(GOP)之lntra畫面，但高於正常p畫面，先進圖框 群(GOP)之正常p，B畫面位元率高於基本圖框群(G〇p)之 P ’ B畫面。 11· 一種MPEG-II視訊編碼裝置，其中，編碼控制器系統控 制結構係由四個模組包括視訊改變偵測、量化器控制、 方塊編碼模式決定及圖框型態決定。 21 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

   六了平著4剁範圍（3) (請先閲讀背面之注意事項存填寫本頁) I2·如申請專利範園第i 1項所述MpEG-n視訊編碼裝置， 編碼參數可更改至任何解析度，資料可經串序埠下載設 足新的編碼速率，及每一畫面的位元率上下限，量化値 亦可外界控制。 I3·申請專利範園第1 1項所述MPEG-n視訊編碼裝置，視 訊改變偵測模組採用目前及前一畫面片段(slice)，以及 相對平均量化値，結果送至圖框型態決定模組。 I4·如申請專利範圍第1 1項所述MPEG_n視訊編碼裝置， 圖框型態決定模組由狀態機器（ state machine)決產生 B 圖框群(GOP)或A圖框群(GOP)時序，若視訊改變或P畫 面編碼位元率大於臨界値，則A圖框群(GOP)結束且B 圖框群(QOP)接手。 15 ·如申請專利範園第1 1項所述MPEG-II視訊編碼裝置， 其中’方塊編碼模式決定模組由移動估測器之平均絶對 差値(MAD)量化成2位元vc碼及一位元是否零向量ZM 決定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I6·—種MPEG-II視訊編碼裝置，其量化器模組模用目前片 段(Slice)編碼結果決定下一個片段(slice)量化値，而 方塊量化値亦可在片段(Slice)量化値附近作細微修改。 I7·如申請專利範園第1 1項所述MPEG_n視訊編碼裝置， 缓衝器狀態被量化成2位元（SB)表示四種狀態以決定方 塊編碼模式及其量化値，當利用率很高用 (DCT+MV+quantizati〇n)模式，正常範圖使用不必管缓衝 22 本紙诔尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） 1238650 ϋ >'U C8 1 D8 經濟部智慧財展扃負工消費合作社印製 •v— f : *· · - A X ga 9. W 六、申請專利範圍（4厂一 &一U 器狀態，決定方塊編碼模式及量化値由方塊編碼模式及量 化控制器決定，當利用率低於低限時，用//7ieJr(Z?CTf#r without quantization)模式編碼，但利用率近於間置 (under fl〇aw)時，用模式編碼。 I8·—種MPEG-II視訊編碼裝置，迴遞式移動估計方法採用 前面畫面向量作搜尋視窗中心點，迴遞式向量搜尋被中 斷於其平均絶對差値（MAD)高於零向量平均絶對差値 (MAD) 〇 I9·如申請專利範園第1 8項所述MPEG-II視訊編碼裝置， 方塊比對數量由暫態相關性決定，暫態栢關性愈高，則 方塊比對數量愈少，而暫態相關値由平均絶對差値(MAD) 決定。 2〇·—種MPEG-II視訊編碼裝置，其迴遞式向量尋找與層次 視窗結合可減少方塊比對數量，MA計算限制可減少PE 値，結合減少方塊比對數量及減少PE方法，可提升速度。 21·—種MPEG-II視訊編碼裝置，其系統架構處理核心有數 個PE，分成兩個路徑，每個路徑有相同數之pe。 22·如申請專利範園第2 1項所述MPEG-II視訊編碼裝置， 視窗層次控制器讀取平均絶對差値(MAD)値及Μ平均絶 對差値(MAD)値，決定方塊比對數目，決定向量輸出， 決定是否採用迴遞式向量及何時完成方塊向量尋找。 23·如申請專利範園第2 1項所述MPEG-II視訊編碼裝置， 在搜尋過程中，每一週期由路徑1及2計算結果送至累 23 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 亨請專利範圉（5) 加器以求得平均絶對差値(_)値，平均絶對差値(MAD) 値並末疋全計算結果即每個週期與Μ平均絶對差値(MAD) 相若比較器結果爲高位準，則目前平均絶對差値(MAD) 計算立即停止，此視窗層次控制器尋找最佳向量時間並 非固疋，當尋找完畢，有一個”Ready”信號告訴使用者。 24·如申凊專利細第2 1項所述MPEG-II視訊編碼裝置， PE電路利用交替控制腳切換多工器讀取資料，每一群兩 個暫存器，在不同時間工作在寫或讀狀態。 25·—種MPEG-Π視訊編碼裝置.，其記憶体存記採用交替 式’每4點爲一單位分則串序寫入路徑1及2之PE〇〜3 及PE4〜7中。 24 本紙浪又度逍用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐）