上海交通大学硕士学位论文基于MPEG-4标准的运动估计加速器方案研究姓名：朱长松申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王伟200801011基于 MPEG-4 标准的运动估计加速器方案研究摘 要上世纪 90 年代，多媒体技术随着人类进入信息时代而得到了迅猛发展。大信息量的音、视频数据被广泛使用，使得需要存储、处理和传输的信息量成指数级增长。这对数字编码技术和编码标准都提出了严峻的考验。为此国际标准化组织推出了许多编码标准，这其中就包括最有前景的 MPEG-4 标准。从 MPEG-1 到 MPEG-4，以及现在非常流行的 H.264 视频编码标准都采用了很多技术来减少图像的时间和空间冗余度，包括运动估计与运动补偿、离散余弦变换、量化、霍夫曼编码等。其中，基于块匹配的运动估计与运动补偿是视频编码系统中最重要的组成部分之一。准确而高效的运动估计算法可以大大降低视频图像序列的空间冗余，带来高的压缩比。然而，运动估计的运算量是巨大的。因此，将运动估计和运动补偿做成一个独立的模块，作为视频编解码芯片的一个加速器单元，对降低芯片的功耗、提高芯片的性能和模块化设计都有着积极的意义。论文首先深入研究视频编码的基础知识和编码标准，对 MPEG-4 标准协议的语义语法进行了详细的分析。然后，深度分析了前人提出的各种运动估计与运动补偿算法，对比各种方法的特点，并根据硬件加速器实现的要求，提出了新的运动估计算法。新算法在块运动向量的搜索中2用菱形搜索替代传统的全搜索，减少了约一半搜索计算量。然后，根据新算法，设计了视频运动估计加速器的架构和实现方案，其中主要包括加速器的外部接口、内部寄存器和指令集，同时详细阐述了加速器实现的工作原理和工作流程。最后，论文通过编写加速器实现的 C 模块和改写开源编解码器 XVID 中运动估计和运动补偿代码的方式，将加速器实现的 C 模型植入编解码器中，构建了仿真平台，并设计仿真实验和测试用例，用标准测试序列对该方案进行了大量的仿真实验，获得了丰富的实验数据。通过对仿真实验得到的数据进行详细的分析，得到了正确的仿真结果。仿真结果显示，此硬件实现方案支持 MPEG-4 标准，可以编码 CIF和 QCIF 格式的图像。此外，该硬件实现方案虽然减少了大约 50%左右的块运动矢量搜索运算量，然而图像的编码质量和码流比特并没有太大的损失，适合应用于中低端的编码解码芯片中。这对国内多媒体 IC 公司设计独立的运动估计硬件加速器模块具有较高的参考价值。关键词关键词：MPEG-4，运动估计，硬件加速，视频编解码3MPEG-4 STANDARD BASED MOTION ESTIMATIONHARDWARE ACCELERATOR DESIGN RESEARCHABSTRACTRecent years have witnessed the rapid growth of multimedia technology. A large amount ofinformation of audio and video data is widely used, which causes a severe challenge to codingtechnology and standard. For this reason, the International Organization for Standardization (ISO)launched a number of coding standards, including the most promising MPEG-4 standard.From MPEG-1 to MPEG-4, even very popular H.264 standard utilize a lot of techniques toreduce the temporal and spatial redundancy, including motion estimation and motion compensation,discrete cosine transform, quantization, Huffman coding and so on. Among them, block matchingbased motion estimation and motion compensation is one of the most important components. Accurateand efficient motion estimation algorithm can greatly reduce spatial redundancy and bring highcompression ratio. However, the computation of motion estimation is enormous. Therefore, it isuseful to design a hard accelerator module to replace the software component, which can improvepower consumption and performance of the multimedia chip.The thesis firstly makes a deep study of the basic principle of video coding and the syntax ofMPEG-4 protocol, especially the motion estimation and motion compensation algorithms used in thestandard. Then, the thesis analyzes various motion estimation and motion compensation algorithmsand proposes a new algorithm based on hardware design requirements. After that, the thesis designsmotion estimation accelerator structure which mainly includes accelerator interface, the internalregisters and instruction set. Finally, the author writes the hardware accelerator simulation model in C4programming language and rewrites the motion estimation and motion compensation code in opensource codec XVID, which constructs a simulation platform. Based on this platform, the thesisdesigns the test cases and performs the simulation tests using the standard test sequences.Simulation results demonstrate that this hardware accelerator supports MPEG-4 standard, whichcan encode CIF and QCIF format frames. Meanwhile, it reduces block motion vectors searchcomputation by about 50 percent, but it does not lose the image quality and coding bits much. Themethod proposed in this thesis is suitable to be applied in low-end codec chips. The work in this thesisgives a constructive reference for the related work of domestic multimedia IC design companies.KEY WORDS： MPEG-4, Motion Estimation, Hardware Accelerator, Video CODEC8首字母缩写语表ASP Advanced Simple Profile，MPEG-4 中 Profile 的一种AVS Advance Audio Video coding Standard，先进音视频编码标准CMBM Current MacroBlock Memory，当前宏块内存CIF Common Intermediate Format，图片格式的一种，大小为 352288DCTDiscrete Cosine Transform，离散余弦变换DS Diamond Search，钻石搜索，或者菱形搜索FS Full Search，全搜索HPHalf Pixel，半像素IDCTInverse Discrete Cosine Transform，反离散余弦变换ISOInternational Standards Organization，国际标准化组织ITU-R International Telecommunications Union Radio communications sector，国际电信联盟无线通信分部ME Motion Estimation，运动估计MC Motion Compensation，运动补偿MPEGMoving Pictures Experts Group，运动图像专家组MECUMotion Estimation and Compensation Unit，运动估计与补偿单元MVFASTMotion Vector Filed Adaptive Search Technique，运动向量场自适应搜索算法PSNRPeak Signal Noise Ratio，信噪比QCIF Quarter Common Intermediate Format，图片格式的一种，大小为 176144SWM Search Window Memory，搜索窗内存SoC System on Chip，片上系统TSS Three Step Search, 三步法VOPVideo Object Plane，视频对象层9表格目录表 2-1 常见图像格式.8表 3-1 搜索策略和中心点选择28表4-1 MECU控制寄存器表.37表4-2 MECU状态寄存器表.39表 5-1 silent （CIF） 测试序列.60表 5-2 CIF 格式图像搜索算法性能对比.62表 5-3 QCIF 格式图像的搜索算法性能对比.6410图片目录图 2-1 4：2：0 宏块结构.9图 2-2 帧 DCT 编码时亮度块组织.