運行一種算法的方法以及一種可伸縮編程的處理設備的製作方法
2023-05-20 03:21:56 3
專利名稱：運行一種算法的方法以及一種可伸縮編程的處理設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及運行一個算法的一種方法，其中算法包括第一函數和第二函數。
此外，本發明還涉及可伸縮的(scalable)系統，尤其涉及可伸縮的多媒體通信系統，比如一個ATSC順應(compliant)視頻解碼器。
從可伸縮視頻解碼器以及它所應用到的多信道多址通信的系統(IEEE 19thInternational conference on consumer electronics，year2000，Page 232-233)中可以知道上述類型的方法和系統的一個實施例。這裡，描述的一個可伸縮算法被用在實時系統內，該系統具有限制的資源和時限算法。具有這些特徵的一個實時系統的例子是被用在一個多信道多址通信系統中的一個視頻解碼器，以及限制資源的例子是一個物理存儲器，一個主處理器，和一個輸入/輸出設備。可伸縮算法，例如一個用於視頻的解碼算法，包括多個函數，例如低通濾波和上採樣。對於每個函數，確定每個視頻信道數的針對CPU負荷的資源需求，例如1，4，或8信道，能被同時解碼。從允許的CPU負荷導出可被用在算法內的函數，並且被允許使用的每個函數的預算必須分別被分配到每個函數。
而且，通常知道在一個給定系統中用於測量複雜生失真的當前方法是測量用於一個特殊數據模型(算法)的運行曲線。作為一個例子，使用一個MPEG2解碼器的一般性IDCT算法，處於使用中的算法假設所有的數據在每個8×8塊中。全部數量的乘法器和加法器是一個固定的數。然而，用一個特殊的算法，如果數據模型改變，計算步驟的數能被改變，因而對於算法計算時間的複雜性是不同的，參看圖2。使用改變的複雜等級，輸出失真也是不同的，也就是利用不同的的運行點202。用於這種算法的相應的運行曲線可以被測量。如果一個不同的IDCT算法適於該解碼器，則能畫出一個不同的運行曲線，例如曲線204，206。
多媒體處理工業的快速發展已經促使可編程的多媒體處理設備取代了傳統的專用硬體解決方案，例如，專用集成電路(ASICs)。面向軟體設備的可編程的功能性已經大大地增加了這些多媒體和通信系統類型的靈活性。可編程設備普遍用於按照可用的計算資源調整和定標函數複雜性到確定的水平。這提供了系統的可量測性。然而，當函數複雜性被縮減時，與常規專用的硬體解決方案相比，系統的性能通常下降。因此，需要在每個函數複雜性水平上最小化功性能下降或失真，以保持系統的整體性能。
在理論上，可量測性經信息率和資源約束處理函數複雜性和失真的折衷。當計算資源減少時，用於執行原始數量函數複雜性的計算或處理能力被減少，從而強迫可伸縮算法退到一個低級的函數複雜性處理。
一個例子是，在一個適於接收和解碼諸如電視信號的信息流的數位電視(DTV)視頻解碼器中可以利用一個可伸縮的設計。解碼器的處理能力實際上受到解碼器處理器約束的限制，例如可用的計算資源。解碼器的處理能力可以被限制到足以處理接收的比特流的那個點上，以便在一種可接受的質量標準上進行顯示。因此，能夠使處理器解碼比特流的方法是降低函數其中之一的質量。例如，在一個畫中畫(PIP)窗口中顯示的質量可以被設置低於(始終可接受的)主頻道的質量，通過降低窗口比特流的處理複雜性而不改變對應主頻道的主比特流的解碼質量。因而，取決於各自的運算模式，不同的處理複雜性可被用於不同的比特流。而這就允許解碼器的有限的處理能力可以被更好的利用，能夠使多種比特流被同時處理。
現在參考
圖1，基於信息的複雜性理論(IBC)顯示出，對每個給定的系統，有一個最小的複雜性-失真(C-D)界限100。圖1顯示速率失真界限100是一個凸函數。該曲線100精確地顯示了在可實現函數複雜性-失真(區域102)和不能實現函數-複雜性失真(區域104)之間的理論上的界限。
為了
背景技術：
的目的，C.E.Shannon在1948年在資訊理論(IT)上公開了他的工作。作為IT的一個分支，在編碼和壓縮信源的保護下，出現了速率失真理論(RDT)，它涉及從一個源上最大的除去冗餘的任務，服從於一個質量標準。換句話說，RDT所涉及的是用能用於一個給定再現質量的最少數的比特來表示一個源。在RDT中遇到的折衷是在信息速率和輸出失真之間。應該明白的是，儘管是在RDT中，典型的在輸出解碼系統上沒有計算約束。
為了擴展RDT以便得到複雜性-失真折衷和研究可伸縮性的問題，發展了基於信息的複雜性(IBC)理論。IBC是計算複雜性的一個分支，它針對信息是部分的，被汙染的，和被定價的來研究問題。IBC主張一個算法的計算能夠被縮減，通過限制被處理的輸入信息的數量。一個算法的複雜性能被歸納為被處理信息量的一個函數以產生一個輸出序列。
如所表示的，上述曲線100的區域102理論上是可實現的算法，同時在下面的區域104是不可實現的。對於一個特殊的系統，複雜性被限制。換句話說，系統的複雜性具有一個界限以便讓系統正常的運行。複雜性的界限被描述成[Cmin，Cmax]。而且，輸出質量也具有限制，即失真範圍[Dmin，Dmax]。Dmin意味著系統能提供的最佳結果，而Dmax意味著用戶能容忍的最差的結果。因此，一個實際系統的可工作區域是區域106。
理論上，如果一個設計的系統的性能曲線達到最低的C-D界限100，則實現了一個最佳的設計。然而，對於一個實際的系統來說，要實現最好的理論上的界限100是不切實際的。對於一個給定的系統和一個給定的數據模型(算法)，每組測試數據將給出一個質量失真速率。再參考圖2，對於這樣一個系統模型，來自一個實際系統的複雜性和失真對的每個點被稱作一個運算點202。一組運算點202組成一個運算曲線。通過具有一個選擇實現和給定測試數據的系統，在運算曲線上的例如204或206的每個運算點202是可實現的。可伸縮性可被定義為在可實現區域106中不同複雜性坐標上的兩個運算點202之間的轉變。最好的可伸縮算法具有一個運算曲線，它近似接近最低的C-D界限100。在圖2中，第一給定系統和數據模型即算法給出一個第一複雜性-失真曲線204，同時第二個提供曲線206。理論上，運算曲線204，206距理論最低複雜性-失真界限100的距離示例了每個系統設計的好壞。通常在一個實際設計情況下，不能獲得最低的界限100，而且運算曲線204，206不是平行的。
用在上述例子中的MPEG2視頻解碼器普遍用在先進電視系統委員會(ATSC)順應(compliant)數位電視(DTV)的系統中。在特例的圖3中示例了一個常規視頻解碼器300的方框圖，是用於一個ATSC DTV順應系統中，如由GUIDE TO THE USE OF THE ATSC DIGITAL TELEVISIONSTANDARD，ATSC Doc.A/54，October 4，1995所教導的。
簡要來說，解碼器300包括一個信道緩衝器302，它接收一個編碼的視頻比特流信號A和輸出一個信號B。一個可變長度的解碼器(VLD)304接收信號B並重新構建量化的離散餘弦變換(DCT)係數的8×8陣列以便提供以量化格式的DCT-係數作為信號C和運動矢量作為信號H。運動補償器306接收信號H和I，包括用於存儲在存儲器308中的錨定架的數據，並提供運動補償的預計的象素值作為信號G。逆量化器310接收信號C並對它去量化以提供信號D，它包括以標準格式的量化的預測誤差DCT係數。逆離散餘弦變換(IDCT)接收信號D並變換它以獲得象素值或預測誤差作為信號E。加法器314接收信號E和G並把它們相加以提供重建的象素值，它由量化被降低而作為信號F，信號F被提供作為解碼的視頻數據並也被送到存儲器308。
本發明的一個目的是以一種改進的方式提供上述分配資源的方法。為達到該目的，按照本發明的方法包括以下步驟第一步驟，由算法請求一個算法資源以提供多個輸出質量等級，第二步驟，確定提供第一多個質量等級的第一函數和提供第二多個質量等級的第二函數，第三步驟，分配一個預算到算法以便能夠在一個輸出質量等級上運算該算法，所述輸出質量等級是多個輸出質量等級的其中之一，第四步驟，分配第一多個質量等級的第一質量等級到第一函數和分配第二多個質量等級的第二質量等級到第二函數。通過整體上分配一個預算到一個算法，一個預算管理器或總體系統控制不需要知道算法包括多個函數。因而總體系統控制能用於一般目的的分配一個預算到同時運行在系統上的算法。預算是基於請求的算法資源。代替分配一個預算到算法，總體系統控制能設置一個輸出質量等級到整體上的算法。可以從算法能提供的多個輸出質量等級中選擇輸出質量等級。算法的每個函數能提供多個質量等級。當一個算法得到分配的一個預算或被分配一個輸出質量時，一個質量控制能分配一個相應的質量等級或設置到每個函數。從一個函數能提供的多個質量等級中選擇相應的質量等級或設置。用於分配的預算提供算法最高輸出質量等級的函數的質量等級是一個函數能提供的多個質量等級中的最好的選擇。通過分配一個相應的質量等級或設置到每個函數，質量控制在算法包括的函數上隱含的分布它分配的預算。每個函數分配的質量等級是基於被分配到算法的預算。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求2中。一個函數可以提供用於多個複雜性等級的一個質量等級，其中例如通過能執行的運算一個函數的許多算術確定一個複雜性等級，函數需求適量的存儲器或通信裝置，像函數需求的帶寬。當算法包括多個函數時，每個函數提供多個質量等級，有一些複雜性等級和可能的質量等級的組合。一個質量控制能執行這些組合併能決定這些組合哪個質量等級分配到一個函數。而且，知道了一個函數的複雜性同時提供相同的質量等級能導致整體上算法的更為平滑的輸出質量過渡。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求3中。每個函數能運算在它自己的質量等級上。第一函數和第二函數的一種組合可以導致一個算法能提供多個輸出質量等級。當一個新的預算被分配到導致一個不同輸出質量等級的一個算法時，相同的算法能被再次運算，通過先前所述的分配新的質量等級到第一和第二函數。許多算法提供相同的功能性但在一個不同的輸出質量等級上例如可以平行運算，這種方法能限制這些算法。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求4中。例如，一個質量控制能從每個函數的複雜性和質量等級的組合中為每個函數選擇用於最高質量等級的最低的複雜性。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求5中。當分配的預算實質上等於請求的算法資源時，算法實質上不會得到多於它所請求的算法資源的分配。這防止了資源不被算法使用，那樣會引起放棄其他的算法運算，因為它們請求的資源已經被分配給該算法。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求6中。當除了第二數量資源以外的第一數量的資源實質上等於分配的預算時，算法實質上不使用多於它分配的預算的資源。這防止了該算法的預算超支，會導致其它算法或算法的預算短缺，它們能引起錯過這些其它算法或算法的最終期限和降低一個整體輸出質量。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求7中。由一個算法能提供的輸出質量等級依賴於在其上運算算法的一個硬體平臺。例如，當算法的第一函數具有特定的硬體需求時，例如像可得到一個硬碟，當硬體沒得到時第一函數可以被省去。
按照本發明方法的一個實施例被描述在權利要求8中。由一個算法能提供的輸出質量等級依賴於算法可訪問的一個軟體平臺。例如，當算法的第一函數具有特定的硬體需求時，例如像可得到一個線性插值算法時，當線性插值算法沒有得到時第一函數可以被不同的運算，例如通過使用一個可用的三次曲線插值算法。
本發明的另一個目的是提供一種方法，用於操作一個可編程的處理設備以減少在一個輸出的信號中的失真，它以一種改進的方式分配資源。為實現該目的，按照本發明的方法包括以下步驟第一步驟，提供表現出多個運算狀態的數據，所述狀態的每個與所述設備的多個運算模式，一個運算的複雜性(C)和一個失真等級(D)的至少一個有關；第二步驟，使用所述數據和基於所述失真等級為每個所述複雜性選擇一個所述狀態；第三步驟，確定所述設備的一個運算狀態；和第四步驟，響應使用所述選擇的狀態的所述確定的狀態，選擇其中的所述運算模式以針對每個所述複雜性操作所述設備。
按照本發明的用於操作一個可編程處理設備以減少在一個輸出信號中失真的方法的實施例被描述在權利要求10-15中。
本發明的另一個目的是提供一種可伸縮的編程的處理設備，它以一種改進的方式分配資源。為實現該目的，按照本發明的該設備包括可操作在多個模式中的至少一個可伸縮的應用，每個具有一個不同的操作特徵的複雜性；一個QOS資源管理器，用於跟蹤有多少可用的計算資源可以由所述至少一個可伸縮應用來使用；一個策略管理器，用於確定在給定的一個所述模式中所述可用資源是否適於所述可伸縮應用的操作；和一個本地資源控制，響應所述策略管理器和用於選擇，響應由所述策略管理器確定的在所述給定模式中所述可用資源不適於所述至少一個應用的操作，以選擇另一個所述模式來用於所述至少一個應用；其中，所述QOS管理器和策略管理器彼此相互響應，和所述至少一個可伸縮應用響應於所述本地資源控制。
按照本發明的可伸縮編程的處理設備的實施例被描述在權利要求17-19中。
通過結合附圖進行具體細節的描述，本發明的各種目的，特點和優點將會更加顯而易見，在此僅以示例的方式顯示，其中圖1示例了一個理論上最低可達到的複雜性-失真界限，圖2示例了一個系統和理論上最低可達到界限的兩個操作模式，圖3示例了用於一個ATSC順應DTV系統的一個傳統的視頻解碼器方框圖，圖4示例了按照本發明方法的主要步驟的一個實施例，圖5示例了包括多個函數的一個算法的例子，圖6示例了一個圖例，其中設置算法的複雜性與由算法能提供的輸出質量等級相反，圖7以示意的方式示例了一個存儲設備，包括一個存儲設備的一個實施例，它包括執行按照本發明方法的被安排的一個電腦程式產品，圖8示例了按照本發明一個實施例使用的一個控制系統的一個方框圖，圖9示例了按照本發明一個實施例的用於一個ATSC順應DTV系統的一個可伸縮視頻解碼器方框圖，圖10示例了按照本發明一個實施例的在各種算法中的一個最低C-D方法；和圖11示例了按照本發明另一個實施例的用於一個ATSC順應DTV系統的一個可伸縮視頻解碼器方框圖。
圖12以示意的方式示例了按照本發明系統的一個實施例的最重要的部分，圖13以示意的方式示例了包含按照本發明系統的一個實施例的一個電視機，圖14以示意的方式示例了包含按照本發明系統的一個實施例的一個置頂盒。
圖4示例了按照本發明方法的主要步驟的一個實施例。可編程部件而不是專用單一功能部件能執行連續的媒體處理。那些單一功能部件被用在傳統的電視接收機中，一些單一功能部件能被組合來執行諸如用於NTSC或PAL系統的彩色解碼，降噪或幀速率上變換。使用引入的可編程部件，可以用軟體代替硬體來實現連續的媒體處理算法。一些媒體處理算法的軟體實現所期望的優點是減少到市場的時間，硬體再用，軟體算法的再用，便攜性，和靈活性。媒體處理算法的軟體實現必須運行在實時環境中，其中系統資源是有限的，並且不會為一個特殊的處理算法保留足夠的系統資源，這能導致由特殊處理算法提供的輸出質量的改變。通過感知測量能測量輸出質量等級，或客觀的通過可用的測量裝置。運行處理算法的一個系統能夠提供高質量的音頻和視頻，它具有50Hz以上的一個相對高的幀速率，幾乎不容忍幀頻波動和一個低的耐受幀跳躍。最好是，系統還能夠用最大值30Hz提供低的幀速率，一種高的耐受幀頻波動和一種高耐受幀跳躍。
算法可以是隱含分配的預算或者通過隱含的設置算法的一個輸出質量等級。一個總體系統控制的目的之一是優化由全部系統提供的總輸出質量，同時有效的利用所有可用的資源。總輸出質量依賴於在同時運算的算法和一個算法處理的數據之間的數量。例如，系統可以是一個電視，一個PC，一個顯示器，一個置頂盒，或一個VCR。為了實現該目的，執行下列主要步驟。
這裡，步驟400是一個初始化步驟，其中，一個總體系統控制，例如一個預算管理器訪問第一查表的內容，如表1所示。在該表中，「CPU」，「協處理器」和「存儲需求」是一個算法能使用的資源的例子。而且，在列中表示的較高的數稱為「質量號數」，表明由一個用戶感知的一個較好的輸出質量等級。通過訪問該第一查表的內容，總體系統控制確定預先規定的資源量，例如CPU循環，一個算法請求，以提供一個預定的輸出質量等級。
表1是算法一部分的算法或一個質量控制也必須訪問表1的內容。當一個用戶針對主窗口切換到另一個信道時算法隱含的開始，並且模擬的，新信道的源不同於數字的，老信道的源。開始算法或改變一個算法資源需求的其他的例子是當一個用戶交換一個主窗口和一個畫中畫窗口的內容時，例如在一個得分之後觀看重放，當一個視頻會議窗口的大小改變時，或當一個新的應用，例如一個視頻會議應用，當一個呼叫到達時，在一個附加的窗口中開始。當算法處理的媒體數據改變時一個算法的資源需求也改變。可以通過業務提供者用不同的輸入參數發送信源來引起媒體數據中的一個改變，例如當可以是一個24Hz膠片的一個影片被可以是一個60Hz攝影的一個商業節目中斷，或者可以通過運動或情景改變來引起。
在步驟402內，例如通過從一些配置文件中讀取這種信息來確定一個媒體處理算法包括的函數。該文件例如描述了用於包括諸函數的輪廓或清晰度增強的一個算法，以示意的方式示例在圖5中。在該圖中，顯示了一個細節濾波器512，一個非線性函數502，一個增益504，一個加法器506，和噪聲測量508。細節濾波器從包含一個視頻信號的一個輸入信號中提取高頻成分。這些成分能被加到輸入信號上以增加視頻信號的總體的清晰度印象。非線性函數和隨後的增益能減少非自然信號，像由細節濾波器引起的消波，而噪聲測量函數能適應清晰度增強，這取決於包含在輸入信號內的噪聲電平。
在步驟404內，請求的資源和每個函數的質量等級被確定。為了分開關注，參看圖5，一個質量控制510把總體系統控制與一個算法包括的函數且是部分的算法屏蔽開來。在用於輪廓或清晰度增強的算法內，細節濾波器更改它請求的資源，例如，CPU循環數或字節數。通過用於濾波器的係數和濾波器類型描述的質量等級確定請求資源的改變水平，垂直，或都有。非線性函數改變它請求的資源，例如CPU循環，並通過非線性函數的量化描述的質量等級來確定，這對於輸入信號和輸出信號可以是不同的。增益改變它請求的資源，例如一個乘法，位移和加法運算，這取決於在包含在存儲器的一個查表中它是否被存儲成固定值，通過一個乘法或通過位移和加法運算來計算它。噪聲測量改變它請求的資源，例如CPU循環，因為例如它能被打開或關閉。通過例如作出較少的精確增加，加法運算可以改變它請求的資源量。然而，加法運算不能改變它們請求的資源量而為一預定的資源量提供一預定的質量等級，例如，CPU循環，這時也能使用加法運算。用於請求資源和每個函數的質量等級的所有設置的組合導致大規模的設計空間，其中算法的複雜性，或算法的一個函數，或算法函數的一個組合被設置與它的質量等級相反。結果被概括為例如表2所示的第二查表。在該表中，有三個主列「版本」，它分配一個唯一數到一行，「質量」，它聚合有關一個算法能提供的輸出質量等級的所有參數，和「複雜性」，它聚合有關算法複雜性的所有參數。提及的參數是沒有限制的，例如，存儲操作或像帶寬和高速緩存之類的通信裝置能被用作有關算法複雜性的參數。而且，表2中用於質量和複雜性的號碼是絕對的，但可以與選擇格式無關規格化的運行視頻內的每個像素。使用這種概念，一個媒體算法設計者設計媒體算法包括的函數以便在不同的輸出質量等級上提供正確的功能性。
表2在步驟406中，更新表的內容以便用於算法必須訪問的可用的軟體平臺。例如，當軟體平臺不支持「暫時處理」時，從表中移去該列並相應更新有效行。例如當不支持「水平處理」時，相應的列和行根本不會作出任何處理，從表中移去像行6和N。此外，還可能示例一個運行時間查表，它包含軟體平臺內來自可用軟體函數的一個映射，以便由算法需求的軟體函數代替更新表2。
在步驟408中，更新表的內容來用於算法必須在其上運算的可用的硬體平臺。例如，當硬體平臺不提供一個協處理器時，從表中移去該列並且只使用一個協處理器的所有行被移去。此外，還可能示例一個運行時間替更新表2。
在這些步驟之後，函數和算法包括不同函數提供的多查表，它包含硬體平臺內來自可用硬體的一個映射，以便由算法需求的硬體代個質量等級，算法提供的多個輸出質量等級，以及來自硬體平臺和軟體的算法需求的硬體和軟體，它們對於質量控制是已知的。總體系統控制只需要知道有關該算法，算法請求的資源，它需求的硬體和算法提供的多個輸出質量等級。
在步驟410中，根據一個最好的總體系統輸出質量等級，總體系統控制分配一個資源預算到該算法。當系統處於穩定狀態時，可以實現一個最好的整體系統輸出質量等級，其中所有正運行的算法提供一預定的輸出質量等級，並且系統處於最大負荷。這意味著在不調整運行算法的輸出質量等級的情況下附加的算法不能被開始。被分配的預算實質上等於算法請求的資源以提供一預定的輸出質量等級。當算法得到的分配的預算少於請求的資源時，算法可以不提供預定的輸出質量等級，和當算法得到的分配的預算多於請求的資源時，算法可以不使用所有的資源。參看圖5，總體系統控制512基於表1的內容把預算分配給算法。總體系統控制512能基於表2的內容把預算分配給算法。在後者的情況下，總體系統控制決定由算法提供的一種更為平滑的輸出質量等級的過渡。如表2所示，由算法提供的輸出質量等級一個突變過渡是從版本2到版本6，或從版本5到版本6，因為處理以兩維方式改變。從版本2到版本3期望更平滑的過渡，因為處理只以一維方式改變。其他的「質量」參數像質量號數和PSNR也提供有關平滑過渡的信息。如在步驟406和408中得到的有關硬體平臺和軟體平臺的信息也能由總體系統控制訪問。接著例如基於可用硬體選擇由算法提供的輸出質量等級。這被顯示在表2中，版本1和版本2提供相同的輸出質量等級，因為它們的質量號數是相等的，但在CPU和協處理器之間分配它們所需的資源是不同的。質量控制能使用知道的CPU和協處理器之間的分配在其他運行時間當中處理過載情況，其中質量控制能改變分配，同時算法始終提供相同的輸出質量。
在步驟412中，質量控制把分配的預算，或輸出質量等級翻譯成作為整體算法的一個質量等級分配到算法包括的不同的函數。這種翻譯是基於表2的內容並考慮用於請求資源和每個函數的質量等級的所有設置的組合。用於請求資源的所有設置的組合確定算法的複雜性。複雜性用一個數表示。該數被加權而得到用於一個特定硬體或軟體平臺的一個單數。圖6顯示了複雜性和提供的輸出質量等級的組合的一個例子。在針對最低複雜性的最高輸出質量上獲得有用的組合，如圖6中畫出的曲線所示。每個點暗示著不同的質量設置或對於一個算法包括的函數的質量等級。在步驟406和408中得到的有關硬體平臺和軟體平臺的信息由質量控制訪問。質量控制使用該信息選擇複雜性和提供的輸出質量等級的最佳的組合，因為最佳組合和組合的數能取決於必須在其上運行的硬體和/或軟體平臺。通過先前所述的解釋表1和表2的內容，可以防止例如通過二次抽樣視頻數據或刪除整個幀，行或像素而改變視頻數據的解析度。此外，質量控制還最大化感知質量，因為例如當一個影片的質量連續改變時，一個用戶感覺到系統提供的一個低的輸出質量。因此質量等級被少量調整。
在步驟414中，質量控制再分配翻譯的分配的預算到算法隱含包括的函數，通過分配相應的質量等級到諸函數。
在步驟416中，函數和總體的算法使用它們分配的預算和設置質量等級開始操作。在完成算法之後，步驟400能再次被執行或者到達最終步驟418。
圖7以示意的方式示例了一個存儲設備，它包括安排的一個電腦程式產品以執行按照本發明的方法。這裡，700是包括代碼702的一個光碟。
而且，本發明包括比較實現相同任務的不同的C-D曲線，以便能識別一個算法，該算法對於在確定的複雜性等級上的複雜性和質量失真的折衷比可用的替換更有效。因此，可以選擇最好的算法，該算法在確定的複雜性上給出最小的質量失真，並且根據假設的複雜性和失真範圍，對於給定的一組算法能實現全局優化的方法。
現在參考圖8，按照本發明概念作出的可伸縮視頻算法設計控制系統最好包括四個元素一個服務質量(QOS)資源管理器800；一個策略管理器802；一個本地資源控制804；和可伸縮算法806。QOS資源管理器800監視一個整體系統，或成組的子系統內的資源使用。當系統資源改變時它發送控制命令到策略管理器802，並且當子系統被定標時從策略管理器802接收反饋。策略管理器802為QOS管理器800擔當一個使節，QOS管理器800具有經本的控制器804命令不同的可伸縮算法806的自主權，以便為適應資源水平的改變遞增或遞減。儘管策略管理器802控制著不同應用的整體的等級定標，但它不控制一個特定算法806的可伸縮性的細節。例如，它控制MPEG2解碼器全部的複雜性等級，但它沒有控制MPEG2解碼器的哪個算法應該被遞減到何種等級。這是本地資源控制804的工作。本地資源控制804(也成為解碼資源控制或複雜性轉換控制)確切地知道如何定標MPEG2解碼器中的每個函數塊和定標到何種等級。最終，可伸縮算法806是實現可伸縮性工作的關鍵。
換句話說，應該理解的是，通常，在計算機質量控制/信息管理領域，作為本領域技術人員來說QOS是熟知的。QOS管理器800基本上管理計算機資源的使用，例如，使用的，沒使用的，監視信息流，響應來自要求應用的請求或正在使用的資源。策略管理器802滿足QOS管理器800和使用可伸縮算法806的可伸縮應用之間通信的需要，比如圖9或11的可伸縮的MPEG2解碼器。策略管理器802處理和控制各個可伸縮應用的資源使用並協調這些應用。
本地資源控制804擔當用於一個特殊可伸縮應用的一個本地局管理器。例如，現在參考圖9，其中示例了按照本發明的一個可伸縮ATSC順應DTV的視頻解碼器。其中指定的元素如同圖3指定的元素一樣，除了按照本發明它們是可伸縮的。因此，在圖9的解碼器300』中多於一個函數塊是可伸縮的。在MPEG2解碼器300』中，IDCT是一個函數塊的例子。本地資源管理器804(也稱為解碼資源控制)協調這些塊的活動和可伸縮的等級，例如，每個各自的函數塊應該被定標多少。如果對於一個特殊的函數塊多樣的可伸縮算法806是可用的，例如，一個IDCT，為了實現最小的失真，無論何時和何地應該提供多種算法的轉換，例如204，206，通過本地資源管理器804執行這些控制任務。
如上所述，基本的研究證實了在一個C-D平面中存在最低的複雜性-失真(C-D)界限100。然而，要設計一個完美的在該界線100上的系統是不實際的。為了最好地實現/接近該理論上的最低界限100，系統設計者通常搜索單一的最佳算法，它能針對不同的複雜等級接近界限100。通常從用於最佳匹配的一組算法中選擇一個單一的算法。但如在圖2中清楚所示的，例如，不同算法的運算204，206曲線可以彼此交叉。這暗示著在一個失真率上有一個算法比其他的算法具有低的複雜性等級，但在一個不同的失真率上不必引起一個較低的複雜性等級。
現在參考圖10，為了更接近全局優化C-D界限100，並且按照本發明的一個優選形式測量可用算法的運算曲線；然後對於可能給定的數據集，選擇在運算曲線內對於每個複雜性等級產出最低失真率的算法；最後，選擇在不同運算曲線上的切換點，導致一個新的全局優化運算曲線。換句話說，按照本發明，不同算法1002，1004，1006，1008之間的轉換被優化利用以便提供比任何各自測試的算法1002，1004，1006，1008更好的一個運算曲線1010。
現在再參考圖11，其中示例了按照本發明的另一個ATSC順應DTV視頻解碼器300」，它包括一個可伸縮IDCT函數塊312，312』，312」。作為公開的一個實施例，使用MPEG2解碼器300」的IDCT函數塊312，312』，312」，該接近法建議使用多樣離散餘弦轉換(DCT)算法以便對於計算複雜性和質量實現解碼器的一種最佳的可伸縮性。對於給定的複雜性等級，選擇一個DCT算法以給出最小的失真等級。
理論上應該清楚，如果有限數量的算法是可用的，能夠近似或接近實現最低C-D界限100，通過在每個複雜性上執行它們之間的所有比較和選擇最合適的一個。然而實際上，設計標準限制了可用算法的數量和比較的時間，並且，如將要討論的，運算切換點的數量也被限制。因此，本發明的近似法是根據某種給定的複雜性使用一確定數量的可用算法而得到最低可能的質量失真。
還是參考圖11，其中示例了按照本發明的另一種形式的用於一個ATSC順應DTV系統的一個視頻解碼器300」的方框圖。同樣是能被容易確定的，解碼器300」結合許多相同的元素，如圖1的解碼器300一樣，因此對類似這些元素的討論將不再重複。現在再參考圖3和9，但與解碼器300相反，解碼器300」包括多個IDCT 312，312』，312」和複雜性轉換開關804，而解碼器300』包括能完成多個算法和開關轉換804的一個IDCT312』。複雜性轉換804響應於從策略管理器802產生的信號J。響應信號J而輸出信號K的轉換控制804有選擇地激活IDCT312，312』，312」的其中之一。在圖11示例的情況下，有n個IDCT312，312』，312」，在它們之間進行轉換以提供n個不同的算法。可替換的，例如在示例的圖9中，使用不同算法的被有選擇地激活的一個或多個IDCT可以被使用。
再參考圖8，QOS800確定多少，或什麼樣的中央處理單元(CPU)循環的百分比，即，被給與權力使用的MPEG2解碼器300」的處理能力。這可以或不可以足夠用於全部能力的MPEG2解碼，即非可伸縮。策略管理器802接收該預算，連同用於其它應用的其他預算。策略管理器802確定是否該計算或處理能力的預算量足夠用於全部的解碼，它還將通知本地資源控制804以激活一個可伸縮的算法806，或從QOS管理器800請求更多的資源以便保持一個合適的輸出質量。假設MPEG2解碼器300」的本地資源管理器804接收了減少的預算，基於提前的集中統計，例如通過使用一個或多個查表，會做出一個確定，在何種可用處理能力的等級上將激活哪個可伸縮算法204。假設按照本發明的全局優化IDCT算法被激活，和由於複雜性與失真的對立關係被預先脫機確定，在每個複雜性等級上，作為對應於一個特殊的運算點，本地資源管理器804有良好定義的算法來調用和使用。
對於不同的算法，複雜型伸展是不同的。不是所有的可用算法會提供複雜性-失真測量和量程的相同的範圍。對於不同算法的運算點可以彼此偏移。對於不同算法的複雜性測量的度量應該是統一的，或者定標到可比較的水平上。運行算法的機器循環的總數可以被定義成算法的複雜性等級。然而，在可伸縮算法的高水平模擬中，測量機器周期是不現實的，因為機器周期是平臺和依靠CPU的。在此情況下，乘法縮率可被用作一個複雜型測量。
按照本發明的一個實施例，獲得一個運算C-D曲線的過程如下所述步驟1.根據不同的複雜性等級測量可用算法的運算點；步驟2.定標不同算法的運算點到相同的尺度並在相同的線圖上畫出運算點；步驟3.發現運算曲線的開關點(交叉點)；和步驟4.通過選擇每個運算曲線部分確定全局優化運算曲線1010，每個運算曲線部分在每個開關點之間是最靠近C-D曲線100的。
總之，對於使用多種方案的一個給定的系統，例如算法和模式，公開的方法建議了一種接近全局優化複雜性-失真界限100的更好的方法。該方法是根據基於信息複雜性的理論且是實際可實現的。它能用在可伸縮多媒體/通信系統設計和可伸縮性分析中。
在描述本發明方法實施例中的順序不是必須遵循的，作為本領域技術人員來說，在不脫離本發明意旨的理念下，同時使用線程模型，多處理器系統或多樣處理，可以改變步驟的順序或執行的步驟。而且，介紹的質量控制和總體系統控制表現的作用或概念可以被用在本發明的方法中。
圖12以示意方式示例了按照本發明系統的一個實施例的最重要部分。該系統1200包括第一存儲器，它包含一個算法請求的許多資源的每個資源以提供一個預定的輸出質量等級。一個CPU和一個協處理器時能被請求的周期的資源的例子。一個第二存儲器1204，包含一個模塊以執行算法的第一函數，同時一個第三存儲器1206，包含一個模塊以執行算法的第二函數。考慮到輪廓或清晰度增強算法514，如圖5中所述的。第二存儲器1204包含執行細節濾波器500的模塊，同時第三存儲器1206包含執行噪聲測量508的模塊。此外，系統還包含更多的存儲器，它們包含執行圖5中所述的輪廓或清晰度增強算法的所有函數的模塊。第四存儲器1208，包含一個查表，該查表包含第一函數能提供的第一多個質量等級的每個質量等級，它需求的資源量。第五存儲器1210，包含一個查表，該查表包含第二函數能提供的第二多個質量等級的每個質量等級，第二函數需求的資源量。在總體系統控制分配了每資源的一個預算之後，如先前所述，第六存儲器1212包含分配到算法的每資源的預算量。此外，總體系統控制也能在總體上分配算法的輸出質量等級，從而隱含的分配每資源的一個預算到算法。而且，存儲器1214和1216包含分別由算法的第一和第二函數提供的質量等級。存儲器1218包含多個複雜性號數，表明算法第一函數運算複雜性的多個等級。存儲器1220包含一個複雜性數，表明算法第一函數運算的最小複雜性。為了確定如前所述的存儲器1214和1216的內容，質量控制必須訪問存儲器1218和1220的內容。此外，存儲器1202，1208，和1210，1218，1220也能組成一個查表，如表2所示。該組合的查表則能被存儲在一個存儲器中而代替多個分離的存儲器。而且，當用矽實現系統時，其中函數塊和查表是彼此硬布線的，則存儲器1212，1214和1216可以被省略。質量控制訪問存儲器1226的內容，該存儲器1226包含一個配置文件，該配置文件包含系統內有關可用硬體的信息，並且它訪問存儲器1228的內容，存儲器1228包含一個配置文件，該配置文件包含系統內有關可用軟體算法的信息。質量控制必須訪問所有先前所述的存儲器，而總體系統控制只需要訪問存儲器1202，1212，1226和1228。然而，當總體系統控制必須訪問更多的存儲器時，由算法提供的輸出質量等級會變得更平滑。此外，系統還包括一個第一協處理器1222，在其上能運行算法的第一函數，和一個第二協處理器1224，在其上能運行算法的第二函數。一個可選的CPU1230，運算整體上的算法，因為在第一和第二函數之間需要一些中間處理的通信。當系統不包含協處理器時，則算法的函數運行在CPU上。當第一函數能被運算在多個複雜性等級上時，第一函數在一個專用協處理器1232上運行在最小複雜等級上，而更多的複雜等級運行在協處理器1222上。此外，在1232或1222上，能夠在多個複雜性等級的每個上運行第一函數，或者在CPU1230上，在多個複雜性等級的每個上運行第一函數。通過一個計算機，用打算操作成一個應用程式的軟體可以實現該系統，或通過能夠運行軟體的任何其他的標準體系結構。該系統能被用於操作一個數位電視機1234。該系統也能以矽的形式實現，其中由邏輯構件塊代替提到的查表，該邏輯構件塊是彼此硬布線的，並且提到的處理器和協處理器被省去。
圖13以示意的方式示例了包括按照本發明系統的一個實施例的一個電視機的最重要部分。在此，一個天線1300接收一個電視信號。天線例如也可以是一個圓盤式衛星電視天線，電纜，存儲設備，網際網路，乙太網或任何能接收一個電視信號的其他的設備。一個接收機1302接收信號。信號例如可以是數字的，模擬的，RGB或YUV。除接收機1302外，電視機包括一個可編程部件1304，例如一個可編程集成電路。該可編程部件包含按照本發明的一個系統1306。一個電視屏幕1308顯示由接收機1302接收的圖像並由可編程部件1304進行處理，按照本發明的系統1306和其他的部分通常包含在一個電視機中，但這裡沒有顯示。
圖14以示意的方式示例了包括按照本發明系統的一個實施例的一個置頂盒的最重要部分。在此，一個天線1400接收一個電視信號。天線例如也可以是一個圓盤式衛星電視天線，電纜，存儲設備，網際網路，乙太網或任何能接收一個電視信號的其他的設備。一個置頂盒1402接收信號。信號例如可以是數字的，模擬的，RGB或YUV。除了包含在一個置頂盒中的普通部分外，但在此未示出，置頂盒還包含按照本發明的一個系統1404。電視機1406能顯示從置頂盒1402連同按照本發明的系統1404接收的一個信號中產生的輸出信號。輸出信號也可以直接到一個存儲設備，像一個VCR，DVD-RW或一個硬碟，或者它們可以直接到一個網際網路鏈路而取代直接到電視機。
權利要求
1.一種運行一個算法的方法，其中算法包括第一函數和第二函數，該方法包括以下步驟第一步驟，由算法請求一個算法資源以提供多個輸出質量等級，第二步驟，確定提供第一多個質量等級的第一函數和提供第二多個質量等級的第二函數，第三步驟，分配一個預算到算法以便能夠在一個輸出質量等級上運算該算法，所述輸出質量等級是多個輸出質量等級的其中之一，第四步驟，分配第一多個質量等級的第一質量等級到第一函數和分配第二多個質量等級的第二質量等級到第二函數。
2.按照權利要求1運行一個算法的方法，進一步包括確定能在多個複雜性等級上運算第一函數的第五步驟，同時提供第一質量等級。
3.按照權利要求1運行一個算法的方法，進一步包括以下步驟第六步驟，在輸出質量等級上運算該算法，第七步驟，在第一質量等級上運算第一函數，同時由第一函數消耗第一資源量，和在第二質量等級上運算第二函數，同時由第二函數消耗第二資源量。
4.按照權利要求3運行一個算法的方法，進一步包括第八步驟，在多個複雜性等級的一個最小複雜等級上運行第一函數。
5.按照權利要求1運行一個算法的方法，其中分配的預算實質上等於請求的算法資源。
6.按照權利要求3運行一個算法的方法，其中除第二資源量以外的第一資源量實質上等於分配的預算。
7.按照權利要求1運行一個算法的方法，進一步包括第九步驟，確定操作所述方法的一個硬體平臺以便確定算法資源和多個輸出質量等級。
8.按照權利要求1運行一個算法的方法，進一步包括第十步驟，確定操作所述方法的一個軟體平臺以便確定算法資源和多個輸出質量等級。
9.一種方法，用於操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真，該方法包括以下步驟第一步驟，提供表現出多個運算狀態(202)的數據，所述狀態(202)的每個與所述設備的多個運算模式(1002，1004，1006，1008)，一個運算的複雜性(C)和一個失真等級(D)的至少一個有關；第二步驟，使用所述數據和基於所述失真等級為每個所述複雜性選擇一個所述狀態；第三步驟，確定所述設備的一個運算狀態；和第四步驟，響應使用所述選擇的狀態的所述確定的狀態，選擇其中的所述運算模式以針對每個所述複雜性操作所述設備。
10.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中用於第一確定狀態的所述選擇的運算模式不同於用於第二確定狀態的所述選擇的運算模式。
11.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中所述第二步驟是基於針對所述複雜性的最小化所述失真等級。
12.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中所述第一步驟包括使用至少一個查表。
13.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中所述可編程設備是一個多媒體通信設備。
14.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中所述設備是包括至少一個IDCT的一個ATSC順應數位電視的解碼器，和每個所述模式對應於所述至少一個IDCT操作的一個不同的模式。
15.按照權利要求9的操作一個可編程處理設備以減少一個輸出信號中的失真的方法，其中所述選擇包括確定其中的所述模式，所述模式提供一個複雜性-失真特徵，該複雜性-失真特徵對於使用所述可用計算資源量執行所述任務的那些所述其他模式來說是所期望的。
16.一種可伸縮編程的處理設備，包括可操作在多個模式中的至少一個可伸縮的應用(300』)，每個具有一個不同的操作特徵的複雜性；一個QOS資源管理器，用於跟蹤有多少可用的計算資源可以由所述至少一個可伸縮應用(300』)來使用；一個策略管理器(802)，用於確定在給定的一個所述模式中所述可用資源是否適於所述可伸縮應用(300』)的操作；和一個本地資源控制(804)，響應所述策略管理器(802)和用於選擇，響應由所述策略管理器確定的在所述給定模式中所述可用資源不適於所述至少一個應用的操作，以選擇另一個所述模式來用於所述至少一個應用(300』)；其中，所述QOS管理器(800)和策略管理器(802)彼此相互響應，和所述至少一個可伸縮應用(300』)響應於所述本地資源控制(804)。
17.按照權利要求16的一種可伸縮編程的處理設備，進一步包括所述本地資源控制可訪問的一個存儲器。
18.按照權利要求17的一種可伸縮編程的處理設備，其中所述存儲器包括一個數據，表明對於多個可用系統資源量的每個所述模式的複雜性-失真特徵。
19.按照權利要求16的一種可伸縮編程的處理設備，其中所述設備是包括至少一個IDCT的一個ATSC順應數位電視的解碼器，和每個所述模式對應於所述至少一個IDCT操作的一個不同的模式。
20.一種MPEG2可兼容視頻解碼器，包括至少一個可變長度解碼器(304』)；至少一個耦合到所述可變長度解碼器(300』)的逆量化器(310』)；至少一個耦合到所述逆量化器(310』)的逆離散餘弦變換(312』)；至少一個耦合到所述可變長度解碼器(304』)的運動補償器(306)；耦合到所述逆離散餘弦變換(312』)和運動補償器(306)的一個求和點(314)；和一個控制器(804)；其中至少一個可變長度解碼器(304』)，逆量化器(310』)，逆離散餘弦變換(312』)和運動補償器(306)被耦合到所述控制器，並響應在多個模式其中之一的操作，對於所述解碼器一個輸出的一個可接受的失真等級，每個具有一個給定的複雜性特徵；和，其中所述控制器基於所述給定的複雜性特徵選擇所述模式的所述其中之一。
21.按照權利要求20的一種可伸縮的MPEG2可兼容視頻解碼器，其中其中所述控制器選擇所述模式的所述其中之一進一步基於一個可用的計算資源量，該可用的計算資源量用於在至少一個可變長度解碼器(304』)，逆量化器(310』)，逆離散餘弦變換(312』)和運動補償器(306)上進行運算。
22.按照權利要求20的一種可伸縮的MPEG2可兼容視頻解碼器，其中所述至少一個逆離散餘弦變換(312』)包括多個逆離散餘弦變換(312，312』，312」)，它們響應所述控制器(804)可選擇的操作。
23.按照權利要求22的一種可伸縮的MPEG2可兼容視頻解碼器，其中所述可選擇操作的逆離散餘弦變換(312，312』，312」)實現所述模式的其中之一的所述選擇。
24.按照權利要求23的一種可伸縮的MPEG2可兼容視頻解碼器，其中所述選擇的一個所述模式的所述複雜性-失真特徵比所述多個模式的其他的那些更有效。
25.一種電腦程式產品，被安排執行按照任一權利要求1-15的方法。
26.一種存儲設備(700)，包括按照權利要求25的一種電腦程式產品。
全文摘要
當今，不是專用單一功能部件的可編程部件(1304)能在消費者設備中執行連續的媒體處理，像數位電視機(1310)，置頂盒，PC，或VCR。用於那些可編程部件的被寫的媒體處理算法必須被設計以提供多個輸出質量等級來換取所需的處理資源。由於資源是有限的，必須用它們的資源使用和它們提供的輸出質量等級來控制媒體處理算法。消費者設備的用戶不喜歡在質量上看到很大的變化，例如當他們正觀看一個影片時。因此，像一個算法包括的函數一樣，典型的算法特徵，使用每函數使用的資源和每函數的質量等級以提供更為平滑的質量過渡。
文檔編號H04N7/24GK1394443SQ01803281
公開日2003年1月29日 申請日期2001年8月22日 優先權日2000年8月29日
發明者C·亨特舍爾, S·彭, C·C·A·M·范宗, M·加布拉尼, E·F·M·史蒂芬斯, R·J·布裡爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司