高清视频编码器：硬件优化多分辨率块匹配算法与VLSI架构

"1242 IEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMSFORVIDEOTECHNOLOGY,VOL.20,NO.9,SEPTEMBER2010 一种针对高清MPEG类视频编码器的高效多分辨率块匹配算法及其VLSI架构 Haibing Yin, Huizhu Jia, Honggang Qi, Xianghu Ji, Xiaodong Xie, and Wen Gao, IEEE Fellow 摘要——高吞吐量、高强度带宽需求、大规模片上内存消耗以及复杂数据流控制是高清整数运动估计硬件实现的主要难题。该论文提出了一种基于优化算法的高效超大规模集成（VLSI）架构，用于整数多分辨率运动估计。文章有三个主要贡献。首先，它提出了一种针对高清视频编码器的硬件友好型多分辨率运动估计算法。其次，设计了并行处理单元（PE）阵列结构，实现三级分层运动估计，通过有效的PE复用，只需256个PE就能实现实时高清运动估计。第三，提出了一种片上参考像素缓冲区的共享机制，有效地节省了近50%的SRAM，并减少了内存带宽。提出的多分辨率运动估计算法在速率失真优化的可变块大小运动估计支持下，实现了复杂度和性能的良好平衡。此外，该架构在逻辑电路和片上SRAM的消耗方面具有适度性。提出的架构适用于所有类似MPEG的视频编码标准，如H.264、音频视频编码标准（AVS）和VC-1。 关键词：架构；音频视频编码标准（AVS）；H.264；多分辨率运动估计；超大规模集成（VLSI）；视频编码 本文详细探讨了高清视频编码中的运动估计问题，尤其是针对整数多分辨率运动估计的硬件实现。传统方法在处理高清视频时面临资源和性能的双重挑战。作者提出的新算法和VLSI架构旨在克服这些挑战，提高处理效率并减少资源消耗。 1. 多分辨率运动估计算法 新算法采用了多分辨率策略，通过在不同级别进行搜索，减少了计算复杂度，同时保持了运动估计的精度。这种方法特别适应于硬件实现，因为它允许在不同层次上进行并行处理，从而提高了速度。 2. 并行处理单元（PE）阵列结构 PE阵列结构是实现高效分层运动估计的关键。通过将运动估计任务分解为小单元并在多个PE上并行执行，可以显著提高处理速度。PE的复用进一步优化了资源利用率，使得只需要相对较少的PE即可处理实时高清视频。 3. 参考像素缓冲区的共享机制 为减少片上内存需求，文章提出了一个创新的策略，即在整数和分数运动估计之间共享参考像素缓冲区。这不仅降低了SRAM的使用，还减少了对内存带宽的需求，这对于高速运动估计至关重要。 4. 速率失真优化与可变块大小运动估计 提出的多分辨率算法结合了速率失真优化，能够根据编码质量和带宽约束动态调整块大小。这种灵活性确保了在压缩效率和视频质量之间的最优平衡。 5. 应用范围 提出的VLSI架构不仅适用于MPEG标准，还能无缝应用于其他高级编码标准，如H.264、AVS和VC-1，显示了其广泛的适用性。 总结，该研究通过创新的算法和硬件架构，为高清视频编码器的运动估计提供了解决方案，解决了高带宽需求、内存消耗和处理复杂性等问题。这一工作对于推动高清视频编码技术的发展具有重要意义。"