適于AVS視頻解碼器的可配置存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

李 帥，易清明，石 敏

（暨南大學(xué) 電子工程系，廣東 廣州 510632）

0 引言

目前，微處理器日益廣泛地運(yùn)用到多種應(yīng)用環(huán)境中，不同的應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用有不同的需求。如常見的用以匹配內(nèi)核和主存的速度差異高速緩沖存儲(chǔ)器；存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器以及存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫的外部存儲(chǔ)器。而在面對(duì)音視頻編解碼時(shí)，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多種方式的處理，如果用傳統(tǒng)的單工作模式的存儲(chǔ)器，難免耗費(fèi)資源過多。針對(duì)這種情況，可配置存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)地配置存儲(chǔ)器的工作模式，合理地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提升系統(tǒng)性能。

筆者針對(duì)AVS視頻解碼器反掃描、反量化及反變換過程中對(duì)數(shù)據(jù)流不同的處理方式，設(shè)計(jì)了一種五模式可配置存儲(chǔ)器，用以節(jié)省資源，整合整個(gè)反掃描、反量化及反變換功能塊。

1 AVS視頻解碼器

AVS（Audio Video coding Standard）標(biāo)準(zhǔn)是基于國內(nèi)自主創(chuàng)新技術(shù)和國際公開技術(shù)所構(gòu)建的音視頻編解碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，是一種適用于數(shù)字音視頻壓縮、解壓縮、處理和表示的技術(shù)方案。它的編碼效率與國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4和H.264相當(dāng)，廣泛應(yīng)用于廣播、通信、電視、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。

本文提及的AVS視頻解碼器的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作正是依據(jù)AVS視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，其框架圖如圖1所示，主要包括碼流分割、熵解碼、反掃描反量化反變換、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)以及環(huán)路濾波模塊。

2 可配置存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

依據(jù)AVS視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，視頻流在經(jīng)過熵解碼之后的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過反掃描、反量化、反變換單元的操作處理，尤其是在實(shí)時(shí)高清視頻序列中，該單元本身所需處理的數(shù)據(jù)量將會(huì)更加龐大。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種擁有5種工作模式的可配置存儲(chǔ)器。整個(gè)反掃描、反量化和反變換模塊的框架圖如圖2所示。

2.1 五模式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

依據(jù)AVS視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，分析反掃描、反量化和反變換過程中對(duì)數(shù)據(jù)流的操作，設(shè)計(jì)了如圖3所示的存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)。

根據(jù)AVS標(biāo)準(zhǔn)所處理的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，為了匹配AVS反變換所處理的8×8像素塊，整個(gè)五模式可配置存儲(chǔ)器被設(shè)計(jì)成1個(gè)8×8的存儲(chǔ)器陣列，即由64個(gè)上述基本單元排列組成。

每個(gè)單元都是通過1個(gè)選擇器控制1個(gè)寄存器，并且所有單元的工作模式同步，具體實(shí)現(xiàn)是通過配置不同的模式控制字，來選擇相應(yīng)的工作模式。涉及到的5種工作模式分別是行訪問模式、列訪問模式、a掃描模式、b掃描模式以及保持模式。

2.2 行/列訪問模式

AVS反變換處理的像素塊大小為8×8，如果按照常規(guī)方案中對(duì)每個(gè)系數(shù)逐個(gè)順序進(jìn)行反變換的做法，處理速度會(huì)很慢，無法滿足當(dāng)前實(shí)時(shí)處理高速視頻碼流的要求。因此，為了提高處理速度及編解碼效率，必須設(shè)計(jì)并行的反變換結(jié)構(gòu)，如本文的“行列”結(jié)構(gòu)，即重復(fù)使用同一個(gè)一維反變換單元[3]。

根據(jù)整數(shù)反變換的原理分析可知，要想通過復(fù)用一維整數(shù)反變換的做法來最終實(shí)現(xiàn)二維反變換操作，中間不得不加入相應(yīng)的轉(zhuǎn)置操作[4]。AVS反變換需要的轉(zhuǎn)置單元不僅要能夠存儲(chǔ)一個(gè)塊的數(shù)據(jù)，而且還要按行或列并行的方式輸入輸出數(shù)據(jù)。這里設(shè)計(jì)的可配置存儲(chǔ)器能滿足這一需求，行訪問和列訪問模式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的行/列并行輸入輸出[5]。

根據(jù)AVS標(biāo)準(zhǔn)，在執(zhí)行第一次一維反變換時(shí)，需要對(duì)可配置存儲(chǔ)器采用行訪問，從第一行并行讀出，最后一行并行輸入，數(shù)據(jù)需要由下至上移位；而在第二次一維反變換時(shí)，需要對(duì)可配置存儲(chǔ)器采用列訪問，從第一列并行輸出，最后一列并行輸入，即數(shù)據(jù)由右向左移位。兩次訪問的具體方式如圖4所示。

2.3 a/b掃描模式

DCT變換產(chǎn)生的是1個(gè)二維數(shù)組，為進(jìn)行傳輸，還須將其轉(zhuǎn)換為一維排列方式，掃描的過程正是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。由于AVS熵解碼對(duì)于游程對(duì)采用掃描倒敘的方式進(jìn)行編碼，所以在解碼端的反掃描中須實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的逆操作。

傳統(tǒng)的反掃描實(shí)現(xiàn)方法是將經(jīng)過熵解碼后得到的游程對(duì)（Run，Level）存儲(chǔ)到堆棧中，然后依次彈出堆棧進(jìn)行反掃描，以便正確完成視頻編碼的逆操作，得到量化系數(shù)塊。這種方法相對(duì)古板，僅僅遵循標(biāo)準(zhǔn)的參考做法，既不利于掃描模式和量參的同步，也不利于熵解碼與反掃描、反量化、反變換模塊的銜接，流水作業(yè)性差。這里摒棄了傳統(tǒng)的做法，而是在存儲(chǔ)器陣列中整合了反掃描的操作，將熵解碼后的游程對(duì)按照解碼順序，直接順著編碼端的掃描方向，通過移位鏈的方式存儲(chǔ)到后續(xù)的8×8存儲(chǔ)陣列中。為此，本文存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)了兩種掃描工作模式，分別兼顧AVS標(biāo)準(zhǔn)中所支持的兩種掃描模式，如圖5所示。

如圖5所示，標(biāo)記了0～63的方塊對(duì)應(yīng)的8×8可配置存儲(chǔ)器陣列，設(shè)計(jì)的兩種掃描工作模式為a掃描模式和b掃描模式，分別對(duì)應(yīng)AVS標(biāo)準(zhǔn)里的之形掃描（Zig-Zag）和交替掃描[6-7]，其中之形掃描是最常用的一種。當(dāng)工作在掃描模式時(shí)，即按照?qǐng)D5中標(biāo)記的0，1，…，63的掃描順序，串行輸入數(shù)據(jù)被送入0標(biāo)記寄存器，0標(biāo)記寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)送入1標(biāo)記寄存器，1標(biāo)記寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)送入2標(biāo)記寄存器，依次類推，62標(biāo)記寄存器內(nèi)數(shù)值送入63標(biāo)記寄存器。整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸為并行處理，以同時(shí)完成64個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)過程。

2.4 保持模式

保持模式，即鎖定已存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，保持其不變。該模式下，存儲(chǔ)器是完成基本的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，提供AVS解碼器中其他模塊對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3 仿真結(jié)果分析

利用VCS平臺(tái)對(duì)整個(gè)反掃描、反量化和反變換模塊進(jìn)行編譯，并作功能仿真，借助DVE波形查看器讀取生成波形，部分仿真波形如圖6所示。通過更改模式控制字mode[3:0]來配置存儲(chǔ)器的工作模式，a掃描模式、b掃描模式、行訪問模式、列訪問模式及保持模式對(duì)應(yīng)的控制字分別為0001，0010，0100，1000和0000。由于存儲(chǔ)器的各種工作模式之間不存在時(shí)間重疊，因此通過合理規(guī)劃控制信息，安排模式切換，完全可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的共享，大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

依據(jù)AVS標(biāo)準(zhǔn)中反掃描、反量化及反變換的操作流程，結(jié)合時(shí)序控制，合理配置存儲(chǔ)器的工作模式，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的相應(yīng)操作，仿真圖中對(duì)一組數(shù)據(jù)的處理周期內(nèi)，存儲(chǔ)器的配置字變化過程為0000→0001（a掃描模式）→0100→1000。結(jié)果表明，該五模式可配置存儲(chǔ)器各模式之間的配合工作，實(shí)現(xiàn)了AVS反掃描、反量化及反變換功能塊之間的無縫鏈接，成功地輸出了一組組期望的8×8殘差矩陣，可供后續(xù)解析模塊恢復(fù)圖像使用。

4 小結(jié)

筆者設(shè)計(jì)的五模式可配置存儲(chǔ)器，優(yōu)勢(shì)在于為AVS解碼器的反掃描、反量化及反變換單元提供了共享的存儲(chǔ)空間，通過不同工作模式的轉(zhuǎn)化，不僅僅完成了基本的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，還利用存儲(chǔ)陣列中數(shù)據(jù)的移動(dòng)為反掃描及反變換分擔(dān)了部分?jǐn)?shù)據(jù)處理。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了反掃描、反量化和反變換的無縫鏈接，將其合并為一個(gè)流水線單元并行處理，省去了存儲(chǔ)中間結(jié)果所需的大量存儲(chǔ)器，加快了處理速度，能夠更高效地處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)量，進(jìn)一步滿足了高速視頻處理的需要。

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