專利名稱：一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件 結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)實的視頻信號中含有大量的冗余信息，主要是空間冗余和時間冗余， 可以通過數(shù)據(jù)壓縮去除這些信息數(shù)據(jù)之間的時間空間函數(shù)的自相關(guān)性和互 相關(guān)性(即去除冗余)，保留相互獨立的信息分量，從而可以節(jié)約存儲空間， 提高傳輸效率，同時使視頻信息在較低速率的信道上進(jìn)行實時傳送成為可 能。運動估計能夠有效的去除視頻信息之間的時間冗余，它占整個視頻壓縮
編碼量的60%-80%，直接影響著編碼的速度和效率，是視頻編碼的一項關(guān)鍵 技術(shù)。在運動估計中，當(dāng)前將要傳輸?shù)膱D像作為當(dāng)前幀，已傳輸?shù)淖鳛閰⒖?br> 的圖像稱為參考幀。在進(jìn)行運動估計運算時的具體流程為首先將每幀圖像 劃分成NxN的宏塊；然后將當(dāng)前幀的每一個圖像塊與參考幀中對應(yīng)搜索區(qū) 域的所有圖像塊進(jìn)行匹配計算，找出最佳匹配塊；最后輸出最佳匹配塊的行 列坐標(biāo)，也就是運動向量MV。因為在對當(dāng)前塊編碼時相當(dāng)于只描述了當(dāng)前 塊相對于參考塊的位移量而沒有具體描述其內(nèi)容，從而實現(xiàn)去除視頻信息之 間的時間冗余，這就是運動估計。
運動估計所采用的主要算法通常為塊匹配算法，而塊匹配法大致可分為 兩類:全搜索算法(FSBMA)和快速搜索算法，而后者又包括了如三步法(TSS)，
菱形搜索法(DS算法)，四步法(FSS)等。在快速搜索算法中，菱形搜索由于
利用了在現(xiàn)實視頻中最佳匹配點的分布概率主要集中于以中心點為核心的
一個菱形分布的特點，相對于其他典型的快速算法擁有良好的性能表現(xiàn)，但
是由于其數(shù)據(jù)流不規(guī)則的特性造成硬件系統(tǒng)難于實現(xiàn)，也就限制了菱形搜索
在現(xiàn)實中的實際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是，提供一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件結(jié)構(gòu)，來解決 現(xiàn)有技術(shù)中很難使用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動估計中菱形搜索算法的問題。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是， 一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件結(jié)構(gòu)， 包M核心控制器，核心控制器通過數(shù)據(jù)線分別與參考塊存儲器、PE陣列、 SAD陣列、地址生成器、編碼模塊連接；地址生成器通過數(shù)據(jù)線再與參考塊 存儲器連接；參考塊存儲器和當(dāng)前塊存儲器的信息流輸出端同時接入PE陣 列的信息流輸入端，PE陣列的信息流輸出端與SAD陣列的信息流輸入端 連接；SAD陣列的信息流輸出端與編碼模塊的信息流輸入端連接。
本實用新型的有益效果是，該硬件結(jié)構(gòu)只使用了很低的輸入帶寬和較少 的硬件損耗實現(xiàn)了菱形搜索算法，加快了視頻編碼中運動估計速度。

圖1是本實用新型硬件結(jié)構(gòu)的示意圖2是菱形搜索中的各種搜索位置示意圖，其中圖2(a)所示為鉆石形狀 的九個起始位置、圖2 (b)所示為頂點搜索時需要附加的搜索位置、圖2 (c) 所示為邊搜索時需要附加的搜索位置、圖2(d)所示為最終的最佳匹配位置；
圖3是一個完整的菱形搜索算法例的示意圖4是參考塊存儲器結(jié)構(gòu)示意圖5是參考塊存儲器中的更新順序和輸出順序示意圖，其中圖5(a)所示 為左下到右上的輸出順序、圖5 (b)所示為左上到右下的輸出順序、圖5(c) 所示為右下到左上的輸出順序、圖5 (d)所示為右上到左下的輸出順序；
圖6是PE陣列結(jié)構(gòu)示意圖7是SAD陣列結(jié)構(gòu)示意圖8是菱形搜索的數(shù)據(jù)流分析和掃描順序示意圖9是菱形搜索中的四種移動模式示意圖，其中圖9 (a)為參考塊從左 下到右上的移動、圖9 (b)為參考塊從左上到右下的移動、圖9 (c)為參 考塊從右下到左上的移動、圖9 (d)為參考塊從右上到左下的移動；
圖中，1、當(dāng)前塊存儲器，2、參考塊存儲器，3、 PE陣列，4、 SAD陣 列，5、地址生成器，6、編碼模塊，7、核心控制器。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示，本實用新型裝置主要包括核心控制器7，核心控制器7通 過數(shù)據(jù)線分別與參考塊存儲器2、 PE陣列3、 SAD陣列4、地址生成器5、 編碼模塊6連接；地址生成器5通過數(shù)據(jù)線再與參考塊存儲器2連接；參考 塊存儲器2和當(dāng)前塊存儲器1的信息流輸出端同時接入PE陣列3的信息流 輸入端，PE陣列3的信息流輸出端與SAD陣列4的信息流輸入端連接； SAD陣列4的信息流輸出端與編碼模塊6的信息流輸入端連接。圖中黑細(xì)線 為交互控制指令的傳輸線，寬箭頭為信息流的傳輸方向。
以下說明中都設(shè)定運動估計劃分的基本圖像塊大小為NxN。
菱形搜索算法(DS算法)的計算方式如下，
如圖2所示，為DS算法第一步和其他步驟的搜索位置，DS算法第一
步的搜索位置呈菱形形狀排列，在以后的步驟中，每一步的搜索位置由上一 步得出的結(jié)果確定。
算法的具體步驟為，
第一步、對搜索窗口中心，如圖2(a)所示的鉆石形狀的九個位置作匹配 運算，如果得出的最佳匹配位置在鉆石的中心(c， c)，則跳到第三步;如果得 出的最佳匹配位置在鉆石的邊上(c-l， c+l)， (c-l, c-l), (c+l， c-l)， (c+l: c+l)，或頂點上(c-2， 0) , (c+2， 0) ， (0， c-2) ， (0, c+2)則跳到第二步；
第二步、如果第一步得到的最佳匹配位置在邊上，即點(c-l，c+l), (c-l, c-l) ， (c+l,c-l) , (c+l,c+l)，則作邊搜索。邊搜索時需要附加的搜索位置
如圖2(C)所示，在四個邊上的情況相同；如果第一步得到的最佳匹配位置在
頂點上，即點(c-2，0)，(c+2，0),(0，c-2)，(0，c+2)，則作頂點搜索。頂點搜索 時需要附加搜索的位置如圖2 (b)所示。如果這一步得到的最佳匹配位置在中 心位置，則跳到第三步，否則，跳回第二步開始，繼續(xù)作搜索；
第三步、以上一步得到的最佳匹配位置(c,c)為中心，對(c-l,c)，(c+l,c)， (c，c-l)， (c， c+l)四個位置作匹配運算，此時需要附加搜索的位置如圖2 (d) 所示，得到最終的最佳匹配位置。
如圖3所示，是應(yīng)用菱形搜索算法的一個完整過程的例子，如果第一步 得到最小絕對差值之和(SAD)的位置是坐標(biāo)原點，則對a，b,c，d四個位置 作最后的匹配運算。否則要對附加的搜索位置進(jìn)行匹配。圖中得到的最佳匹 配位置是(6， —3)。
根據(jù)算法設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)中，每個單元的具體結(jié)構(gòu)和工作原理如下
當(dāng)前塊存儲器1用于存儲當(dāng)前圖像塊的象素值，是一個NxN的寄存器 組，電路開始工作后每個時鐘從外部依次讀入一個象素進(jìn)入相應(yīng)的寄存器，
當(dāng)NxN個時鐘后讀滿并可以進(jìn)入工作狀態(tài)，即可以向PE陣列3輸入當(dāng)前塊 的象素值。
如圖4所示，參考塊存儲器2的結(jié)構(gòu)是一個NxN的寄存器組，用于存 儲參考塊的象素值，并將象素值按照一定順序輸出到PE陣列3。為了方便 說明，圖中顯示的是當(dāng)N二4時的結(jié)構(gòu)，當(dāng)N為其他值時的結(jié)構(gòu)依此類推。 該結(jié)構(gòu)中的輸入帶寬為一個象素，即8bit。圖中的@ 是編程開關(guān)， 可以實現(xiàn)連接和斷開兩種狀態(tài)。根據(jù)對菱形搜索數(shù)據(jù)流的分析得到的四種移 動模式，在參考塊中對應(yīng)的動作如下-
a.左下到右上時，@導(dǎo)通而 關(guān)斷，其對應(yīng)的寄存器間的數(shù)據(jù) 流如下
<formula>formula see original document page 7</formula>b.左上到右下時， 導(dǎo)通而@ @關(guān)斷，其對應(yīng)的寄存器間的數(shù)據(jù)
流如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
C.右下到左上時， 導(dǎo)通而@ 關(guān)斷，其對應(yīng)的寄存器間的數(shù)據(jù) 流如下
扁
<formula>formula see original document page 8</formula>
d.右上到左下時， 導(dǎo)通而@ 關(guān)斷，其對應(yīng)的寄存器間的數(shù)據(jù)
流如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
因為PE陣列3由N/2個PE構(gòu)成，所以每次由參考塊存儲器2向PE陣 列3輸出N/2個象素點以供其計算。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在上述四種移動模式中， 每種的參考塊中間(N-2) X (N-2)的象素總是重復(fù)的。
如圖5所示，本實用新型設(shè)置了與上述四種移動模式相對應(yīng)的輸出順序
a. 左下到右上(如圖5 (a))
b. 左上到右下(如圖5 (b))
c. 右下到左上(如圖5 (c))
d. 右上到左下(如圖5 (d))
圖中數(shù)字代表讀出的順序，深色點代表需要更新的象素點，箭頭表示更新象
素點的順序，參考塊存儲器2每個時鐘周期輸出N/2個象素點，圖中的N為 8，每個時鐘周期可以更新一個象素點。每個參考塊中一共有N+(N-1)個象素 需要更新，而每個時鐘周期輸出N/2個象素，所以只要按照圖中的順序更新 象素和輸出，就能在象素更新結(jié)束后的下一周期將所有象素輸出完畢。
如圖6所示，PE陣列3用于計算當(dāng)前塊和參考塊之間的SAD值。整個 PE陣列3由N/2個PE構(gòu)成，為了方便說明，所以圖中顯示的是當(dāng)N二8時 的PE陣列結(jié)構(gòu)，當(dāng)N為其他值時的結(jié)構(gòu)依此類推。每個PE可以計算兩個 象素之間的絕對差值，加法器將PE輸出的絕對差值相加后存儲到累加器 (ACCM)，當(dāng)整個參考塊于當(dāng)前塊的象素點(NxN個象素點)被計算完后， 這個參考塊的SAD值經(jīng)過選擇器被送到與其位置對應(yīng)的SAD陣列4中的寄 存器中去。
SAD陣列4用于存儲菱形搜索中對應(yīng)候選塊位置上的SAD值，并將 SAD值提供給編碼模塊6以供其使用。該結(jié)構(gòu)利用菱形搜索的數(shù)據(jù)流特點， 充分復(fù)用了己經(jīng)計算過的SAD值，可以大大減少重復(fù)的計算量。
如圖7所示，圖中的②②是編程開關(guān)，根據(jù)控制實現(xiàn)連接和斷開兩 種狀態(tài)，其開關(guān)條件取決于最優(yōu)匹配點的位置，并且每次只有一個開關(guān)導(dǎo)通， 其他的開關(guān)此刻都斷開。X1 X4， Y1 Y4的導(dǎo)通條件如下
XI:最優(yōu)點為上方的點；
X2:最優(yōu)點為右方的點；
X3:最優(yōu)點為下方的點；
X4:最優(yōu)點為左方的點；
Yl:最優(yōu)點為右上方的點；
Y2:最優(yōu)點為右下方的點； Y3:最優(yōu)點為左上方的點； Y4:最優(yōu)點為左下方的點；
利用這個結(jié)構(gòu)，可以大幅減少重復(fù)的候選點的SAD計算，從而提高了計算速度。
地址生成器5用于根據(jù)參考塊需要輸出到PE陣列3的象素順序產(chǎn)生相 應(yīng)的象素在參考塊中的地址，以使得參考塊能夠正確輸出。
編碼模塊6用于根據(jù)SAD陣列4存儲的SAD值，找到SAD最小的匹 配塊，從而找到最優(yōu)的匹配塊并輸出其運動矢量。
核心控制器7用于協(xié)調(diào)所有模塊的工作和控制所有時序。
如圖8所示，該結(jié)構(gòu)是根據(jù)菱形搜索的數(shù)據(jù)流特點設(shè)計的，菱形搜索的 數(shù)據(jù)流特點可以從菱形搜索流程中看出，為一個菱形搜索的所有候選點的位 置，其中a， b， c三點的對應(yīng)參考塊也顯示了出來，由圖8中可以看出，ab c三點為近鄰點，而近鄰點之間的參考塊之間都有(N-l)X(N-l)的象素是重疊 的。圖8中箭頭顯示的是LDS和SDS的搜索路線。
如圖9所示，在菱形搜索中，其對應(yīng)的參考塊更新象素點的分布方式分 為四種
A、 左下到右上(如圖9 (a))
B、 左上到右下(如圖9 (b))
C、 右下到左上(如圖9 (c))
D、 右上到左下(如圖9 (d))
菱形搜索的方式有大菱形搜索(LDS)和小菱形搜索(SDS)，利用上面提出 的四種移動方式，可以涵蓋菱形搜索中所有的移動。最終根據(jù)這個特點設(shè)計
了參考塊存儲器2，使該參考塊存儲器2硬件消耗小且輸入帶寬小的同時保 持了運算所需要的高速度。
另一方面，在計算SAD值的時候，當(dāng)最優(yōu)點不在中央而在邊上或者角 上時，在下一個菱形搜索框中其實有很多候選點對應(yīng)參考塊的SAD值是已 經(jīng)在前一個菱形搜索框中計算過的，其中，當(dāng)最優(yōu)點在角上時，在下一個菱 形搜索框中有4個點的SAD值已經(jīng)在前面的菱形搜索框中計算過，當(dāng)最優(yōu) 點在邊上時，在下一個菱形搜索框中有6個點的SAD值已經(jīng)在前面的菱形 搜索框中計算過。因此利用這個特點設(shè)置SAD陣列4。該陣列在最優(yōu)點在邊 上或角上的情況下，將計算過的SAD值移動到新的菱形搜索框中對應(yīng)的位 置，只計算新的候選點的SAD值，從而減少了重復(fù)計算。
本實用新型根據(jù)上述分析的菱形搜索數(shù)據(jù)流特點，設(shè)置了電路的硬件結(jié) 構(gòu)，該電路的工作過程是，首先分別從當(dāng)前幀和參考幀中讀入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入 當(dāng)前塊存儲器1和參考塊存儲器2，然后兩個存儲器的象素按照設(shè)計的順序 進(jìn)入PE陣列3，并由PE陣列3計算出當(dāng)前塊和參考塊之間的SAD值，SAD 值計算完畢后由PE陣列3計送入SAD陣列4中相應(yīng)位置的存儲器中，然后 用同樣的方法計算下一個參考塊的SAD值，如此循環(huán)直到所有菱形搜索需 要的所有參考塊的SAD值計算完畢。最終由編碼模塊6根據(jù)SAD陣列4中 的各模塊的SAD值來判斷最佳匹配點，并由最佳匹配點的位置來判斷下一 次菱形搜索的菱形搜索位置，并再次計算新的菱形搜索范圍內(nèi)所有參考塊的 SAD值，再判斷最優(yōu)點。如此循環(huán)，直到最優(yōu)點的位置收斂為中心點，然后 在計算完中心點和周圍四點的SAD值后，由編碼模塊6判斷出SAD值最小 的匹配塊，并將其相對于當(dāng)前塊的水平和垂直位移量作為運動矢量輸出，從 而完成運動估計。
本實用新型充分利用了菱形搜索中的數(shù)據(jù)流特點，減少了重復(fù)數(shù)據(jù)的輸 入和計算并同時提高了計算的速度。
權(quán)利要求1.一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件結(jié)構(gòu)，其特征在于包括核心控制器(7)，核心控制器(7)通過數(shù)據(jù)線分別與參考塊存儲器(2)、PE陣列(3)、SAD陣列(4)、地址生成器(5)、編碼模塊(6)連接；地址生成器(5)通過數(shù)據(jù)線再與參考塊存儲器(2)連接；參考塊存儲器(2)和當(dāng)前塊存儲器(1)的信息流輸出端同時接入PE陣列(3)的信息流輸入端，PE陣列(3)的信息流輸出端與SAD陣列(4)的信息流輸入端連接；SAD陣列(4)的信息流輸出端與編碼模塊(6)的信息流輸入端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種實現(xiàn)菱形搜索算法的硬件結(jié)構(gòu)，包括核心控制器分別與參考塊存儲器、PE陣列、SAD陣列、地址生成器、編碼模塊連接；地址生成器再與參考塊存儲器連接；參考塊存儲器和當(dāng)前塊存儲器的信息流輸出端同時接入PE陣列的信息流輸入端，PE陣列的信息流輸出端與SAD陣列的信息流輸入端連接；SAD陣列的信息流輸出端與編碼模塊的信息流輸入端連接。該硬件結(jié)構(gòu)充分利用了搜索算法中的重復(fù)數(shù)據(jù)，只使用了很低的輸入帶寬和較少的硬件損耗實現(xiàn)了運動估計中的菱形搜索算法。本實用新型可以使用于任何視頻編碼硬件設(shè)備中，可以用于多種匹配塊尺寸大小情況下的菱形搜索。
文檔編號H04N7/26GK201066898SQ20072003226
公開日2008年5月28日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者余寧梅, 廖裕民, 王冬芳 申請人:西安理工大學(xué)