江 飛，楊 奕，楊 兵

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

視頻壓縮是數(shù)字視頻信號傳輸和儲存的必要手段，一般我們采用基于預測和變換的混合編碼技術，它們在H.261、H.262、H.263和MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標準中已經(jīng)被采納。在這種編碼技術中運動估計占有很重要的地位，也耗費了視頻編碼中大部分的計算時間。通常能夠得到精確和平滑的運動場矢量的運動估計方法都比較復雜，如光流場運動估計、貝葉斯運動估計、基于小波的分層估計，甚至基于全搜索的塊匹配法等，需要大量的計算時間，并不適合實際的軟件和硬件實現(xiàn)。而一些在實際中經(jīng)常采用的快速運動估計方法如快速塊匹配法（三步法、四步法、菱形搜索法）基本可以滿足實際視頻顯示的效果，并且在硬件方面也較容易實現(xiàn)。本文介紹的就是一種基于快速塊匹配法的硬件實現(xiàn)。

2 MEP設計目標

六種工作模式如表1所示。

RW支持掩模：即在有掩模的區(qū)域不作運算。

在最大的模式（64×64 →128×128）下，運算時間不超過5ms（工作頻率為33MHz）。

輸出全部的運算結果及其最小的三個值和相應的坐標。

設計定義如下：

PW：Peak Window（頂點窗，頂點區(qū)域）；RW：Reference Window（參考窗）；SW：Search Window（搜索窗）；PE：Processor Element（處理單元）。

SW及RW中坐標的定義如圖1。

表1 工作模式

圖1 RW和SW坐標定義

Error（i，j）：對應（i，j）頂點的運算結果（本文的結果、運算結果都是Error）。

3 MEP算法原理

為了使256個PE能全部高效運作，并行算法的設計成了本項目目標能否實現(xiàn)及芯片性能的關鍵。用戶的要求是遍歷整個搜索窗口，并且找出3個最優(yōu)值及其坐標，這決定了我們對每個頂點都要作運算，運算的數(shù)學表達式為：ΣΣ|SW（i，j）-RW（i，j）|。

3.1 RW（16×16）→SW（32×32）的并行運算

SW頂點區(qū)域為X（0～5），Y（0～15），即在SW的左上角區(qū)域內。每個PE計算一個頂點，各個PE并行運算，使用流水線技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的復用以確保各PE的獨立運行。

如圖2所示，RW的數(shù)據(jù)按先X方向后Y方向的順序滾入PE；同時SW中的數(shù)據(jù)按先X方向后Y方向的順序滾入PE。在PE同時收到RW與SW后進行已定義好的運算操作，并在下一個時鐘周期將RW的數(shù)據(jù)向下一個PE進行傳播。而SW的數(shù)據(jù)是在數(shù)據(jù)總線上按一定的順序進行傳播，也就是有多個PE同時接收一個SW的數(shù)據(jù)。RW的數(shù)據(jù)全部滾入PE1起的下一個周期開始輸出誤差結果Error并進行冒泡排序，在RW（15，15）到達PE256時，全部數(shù)據(jù)輸入完成，并且除去最后一個數(shù)外，其他255個頂點計算完畢；再過一個周期，排序完畢?？偣残?56+256+1=513個周期來完成全部的頂點運算及結果排序。

圖2 PE排列結構

3.2 冒泡排序算法

如圖3所示，首先將三個排序結果寄存器全部置1，將對應的坐標寄存器清零；然后將Error傳播到三個比較器與各自先前的值比較，若Error小則將Error送入自身的寄存器，并將對應的Error的坐標送入坐標寄存器；再指定優(yōu)先級，若優(yōu)先級為1，則將Error送入自身的寄存器，并將對應的Error的坐標送入坐標寄存器；最后返回2，直到排序結束。

圖3 排序結構

3.3 PE結構

如圖4所示。只要將SW'中的數(shù)據(jù)按upper、lower組織好，即可實現(xiàn)對SW'中數(shù)據(jù)的復用。在第二次加載RW（0，0）時，SW'正在讀入SW'（0，16），它也正是PE需要的數(shù)據(jù)。Counter為12bit，其余的reg為8bit。

4 MEP的RW掩模

掩模位單獨載入，每位掩模位對應唯一的PE，它不隨時鐘傳播，它只隨時鐘每次對一個PE進行載入。

圖4 內在結構

圖5 RW掩模

如果RW為16×16，則MW（掩模窗口）也為16×16，并且MW只需載入一次。

如果RW為32×32，對應的MW為32×32，如圖5，MW要隨時鐘循環(huán)載入對應的PE中。

掩模位控制對應的PE在以后的255個周期是否需要作運算，如果不要作運算，則將自身的SE置為全1（在作SE比較時才不會出錯）。

掩模位若在芯片內部緩沖，則需要64 bit×64 bit（512B）的緩沖區(qū)。

5 硬件實現(xiàn)

具體電路圖如圖6。

PE陣列的功能就是接收DSP提供的搜索窗（Searching Window ，簡稱SW）數(shù)據(jù)、參考窗（Referencing Window，簡稱RW）數(shù)據(jù)，以及搜索模式（Searching Pattern，簡稱SP）數(shù)據(jù)，計算出運動向量，并將處理結果返回給DSP。

外掛DSP處理器的主要功能是完成對視頻信號的編碼，產(chǎn)生相應的搜索窗數(shù)據(jù)、參考窗數(shù)據(jù)以及搜索模式數(shù)據(jù)，并接受PE處理結果以完成整個信號的編碼功能。

圖6 電路結構

圖7 PE陣列結構

外置SRAM接收MEP的數(shù)據(jù)，并按照MEP的要求存儲起來，當MEP需要SRAM中的數(shù)據(jù)時，可以從SRAM中順序讀出來。

6 結論

本文詳細分析了基于塊的快速匹配的算法原理，對于不同窗口操作方式時的硬件實現(xiàn)速度以及所耗資源都進行了分類比較，并根據(jù)硬件實現(xiàn)的處理速度和面積規(guī)劃的要求，詳細地設計了該系統(tǒng)的構架以及各部分的硬件電路。

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