用於視頻數據壓縮的系統和方法
2023-05-24 17:44:26
專利名稱：用於視頻數據壓縮的系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於視頻數據壓縮的系統和方法，更具體地說，涉及用於特別適合用在移動系統中的視頻數據壓縮的系統和方法。
背景技術：
在例如使用MPEG2、MPEG4或H.263視頻壓縮標準進行視頻數據的壓縮期間，視頻數據壓縮器將當前的視頻幀數據和重新構建的，即在前視頻幀數據存儲到外部存儲設備並從其檢索當前的視頻幀數據和重新構建的，即在前視頻幀數據。在一個例子中，外部設備被稱為「幀存儲器」，並採用SDRAM設備的形式。用這種方式與外部幀存儲器的來回的數據傳送消耗移動系統中相當大量的功率。
在圖1的框圖中示出了傳統的視頻數據壓縮器系統2。作為輸入，系統2以數據、在此稱為「當前幀」或「當前視頻數據」的形式接收輸入圖象幀。當前幀被存儲在幀存儲器4中。
系統2根據操作模式處理視頻幀。當檢測到兩個連續圖象間的急劇變化時，系統以「幀內模式(intra-mode)」操作。當在幀內模式時，不執行運動補償操作。當檢測到兩個連續圖象間的細微變化時，系統以「幀間模式(inter-mode)」操作。當在幀間模式時，執行運動補償和運動估計操作。
假定幀間模式操作，運動估計塊ME28將存儲在幀存儲器4中的當前幀與同樣存儲在幀存儲器24中的在此稱為「基準視頻幀」的重新構建的在前視頻幀27a進行比較，以及作為比較結果，生成運動矢量29並將其輸出到運動補償塊26。運動補償塊26將運動矢量29施加到基準幀27上並生成補償視頻幀25。減法電路6計算存儲在幀存儲器4中的當前視頻幀與補償視頻幀25間的差值。將該差值施加到離散餘弦變換電路DCT8上，在此處將其從空間域轉換成頻率域，以及在量化塊Q10量化DCT8的輸出。在變長編碼電路VLC14編碼量化輸出11以便統計上降低輸出數據量。從VLC14輸出的編碼位流被存儲在輸出緩衝器FIFO16中，從FIFO16將其作為輸出流輸出到接收裝置或信道。速率控制電路12矢量化塊Q10提供量化速率控制信號以便防止FIFO16溢出或下溢，所述量化塊Q10用於在FIFO16中的位流量的基礎上量化下一視頻幀。
同時，量化塊Q10的量化輸出進入解碼過程。以量化係數形式的量化輸出11在逆量化塊IQ18被逆量化並在離散餘弦逆變換塊IDCT20被執行離散餘弦逆變換，從而轉換回空間域。IDCT20的輸出21採用具有當前視頻幀和基本視頻幀間的量化損耗的微分圖象信號。在合成器22處將輸出21添加到補償視頻幀25上。合成器22的輸出，即，基準視頻幀27a、27b被存儲在幀存儲器24中。基準視頻幀被用於壓縮下一個所接收的當前視頻幀。
注意，儘管上面描述指出壓縮以視頻「幀」形式存在的視頻數據，在此描述的系統同樣也可以應用到視頻數據以及段的整個幀、或「塊」或視頻幀的「宏塊」上。因此，在此使用的術語「視頻數據」和「視頻幀」適用於並包括數據或段的整個幀、塊或視頻數據幀的宏塊。
舉例來說，運動估計器(motion estimator)ME28在其確定當前幀與在前幀的最佳匹配的操作中專門在視頻幀的亮度宏塊(luminance macroblock)上操作。運動補償功能(function)MC26在視頻幀的亮度宏塊和色度宏塊上操作。
圖2示出了包括傳統視頻數據壓縮器40的傳統移動系統30。在稱為單片系統(SOC)電路的單個集成電路中構造視頻數據壓縮器40。視頻數據壓縮器40包括中央處理單元CPU42、存儲控制器44、運動估計/補償單元ME/MC46以及離散餘弦變換/量化單元DCT/Q48。各個單元42、44、46、48的每一個均連接到局部總線49上。每個處理單元42、46、48將數據發送到外部幀存儲器SDRAM32並從其檢索數據。由連接到局部總線49上並受CPU42控制的存儲控制器44控制數據交換。
對於在移動系統中的視頻數據壓縮器40的傳統設計通常採用硬體電路和在作業系統上起作用的軟體程序的形式。例如，再參考圖1，能通過寄存在CPU42上的軟體程序執行圖1的速率控制電路12和VLC14的功能，而圖2的ME/MC46和DCT/Q48的功能能被構造成專用硬布線電路。
根據不同處理電路42、46、48的每一個所需的存儲器帶寬確定移動系統30中的局部總線49的操作頻率，其中存儲器帶寬是指對每個單元42、46、48與存儲器32通信並進一步根據CPU42的工作頻率的按比特/每秒所需的總線時間量。視頻數據壓縮器30的功耗反過來是局部總線49的工作頻率的函數。
傳統的移動系統30包括連接到局部總線49的外部幀存儲器SDRAM32。降低幀存儲器的功耗的一種方法是將幀存儲器嵌入視頻數據壓縮器的電路中作為單個集成電路；然而，將大量存儲器集成到單個電路中是很困難的。由於每個處理單元46、48經局部總線49與外部幀存儲器SDRAM32交換數據，在視頻數據壓縮器40中，局部總線49的工作頻率需要很高。
表1表示位於由每個處理塊存取的外部存儲器中的存儲器字節數。在這一例子中，假定用於運動矢量的搜索窗為fcode＝1(-16-+15.5)。fcode參數被在用於運動補償的MPEG標準中定義並定義搜索範圍的最大規模。
每個數據幀包括多個宏塊，以及每個宏塊包括2×2個亮度塊Y，每個亮度塊Y包括8×8個像素，以及兩個色度塊，即一個用於色度綠Cb以及另一個用於色度紅Cr。每個色度塊包括8×8個像素。
當通過圖2的運動估計ME單元46執行運動估計時，僅使用亮度塊，因此，在檢索當前亮度宏塊期間從存儲器32讀取的數據量為256位元組，即16*16＝256，如表1的步驟(1)中所示。在步驟(2)中，接著從存儲器32讀取用於運動矢量的搜索窗，以及所讀取的數據量為48*48＝2304位元組(假定fcode＝1)。
在由運動估計ME單元確定運動矢量後，運動補償單元MC從存儲器32讀取與當前塊最佳匹配的兩個在前塊(色度藍Cb和色度紅Cr)，在前塊的每個讀取塊包括9*9＝81位元組的像素數據，如表1的步驟(5)和(6)所示。另外，還從存儲器32讀取當前色度塊藍Cb和當前色度塊紅Cr，每個包括8*8位元組數據，如表1的步驟(3)和(4)所示。然後通過減法電路6(見圖1)計算當前宏塊(4塊用於亮度以及2塊用於色度)和在前宏塊(4塊用於亮度以及2塊用於色度)間的差異宏塊(稱為「運動補償宏塊」)，並將為8*8*6＝384位元組的數據寫入存儲器32中，如表1的步驟(7)中所示。
在計算所述差異宏塊之後，DCT/量化單元48從存儲器32讀取為8*8*6＝384位元組數據的運動補償宏塊，如表1的步驟(8)中所示，並執行數據的變換和量化，如上所述。在DCT操作後，數據量或數據帶寬被增加1.5倍，例如，如果輸入數據是8位寬，那麼輸出數據是12位寬。DCT的輸出由量化單元Q量化(見圖1的單元10)，以及將為8*8*6*1.5＝576位元組數據的經過量化的係數寫入存儲器32中，見表1的步驟(9)。
另外，需要生成用於下一幀圖象的基準宏塊。因此，IQ/IDCT單元(見圖1的單元18和20)從存儲器32讀取為8*8**6*1.5＝576位元組數據的量化係數，如表1的步驟(10)所示，並重新構建不同的宏塊。將為8*8*6＝384位元組數據的重新構建的不同宏塊存儲在存儲器32中，如表1的步驟(11)所示。
運動補償MC單元46(參見圖1的單元26)接著從存儲器32讀取在前宏塊，在前宏塊包括17*17＝289位元組數據的兩個亮度塊，如表1的步驟(12)中所示，以及兩個色度塊，每個為9*9＝81位元組數據，如表1的步驟(13)和(14)所示。將在前宏塊添加到從存儲器32讀取的為8*8*6位元組數據的重新構建錯誤圖象宏塊，如表1的步驟(15)所示。然後用作用於下一幀的「在前」塊的重新構建圖象宏塊被存儲在存儲器32中，如表1的步驟(16)所示。
如上所述，傳統的視頻壓縮器嚴重地依賴於共用局部總線49和外部幀存儲器32，並在幀間模式操作中，每次疊代需要二個運動補償過程，一個用於數據壓縮，另一個用於重新構建。因此所需的局部總線49的工作頻率很高，因為用於數據壓縮的所有過程均在流水線系統中執行，同時每個步驟浪費局部總線49帶寬，如表1所示。在這一例子中所示的頻率從外部存儲器讀取以及寫入所浪費的功率量不適合於移動系統中的有效操作。
發明內容
本發明提供以限制對外部存儲器訪問的需要的方式執行視頻數據壓縮的系統和方法。因此，降低局部總線的工作頻率並最小化功耗。因此，本發明特別適合於用在移動系統中。
在第一方面中，本發明提供一種視頻數據壓縮單元。該單元包括運動估計處理器，用於從數據總線接收當前視頻數據和用於在當前視頻數據和基準視頻數據間的差的基礎上，生成微分視頻數據。變換編碼器，直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據和將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換視頻數據。局部存儲器存儲所述變換視頻數據。
在一個實施例中，變換編碼器與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。與所述數據總線無關地直接將所述變換視頻數據寫入用於存儲的所述局部存儲器。所述變換編碼器進一步從所述局部存儲器檢索所述變換視頻數據以及將所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換為所述空間域以生成逆變換的視頻數據。
所述變換編碼器可選地包括離散餘弦變換(DCT)單元，用於將所述微分視頻數據從所述空間域變換成所述頻率域以生成變換微分視頻數據；以及離散餘弦逆變換(IDCT)單元，用於將存儲在所述局部存儲器中的所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換成所述空間域。所述離散餘弦變換單元與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。當由所述運動估計處理器生成所述微分視頻數據段時，所述離散餘弦變換單元在所述微分視頻數據上執行所述變換操作，以便所述離散餘弦變換單元和所述運動估計處理器同時在所述微分視頻數據上操作。
所述變換編碼器可選地進一步包括量化單元，用於量化由所述離散餘弦變換(DCT)輸出的變換微分視頻數據以便生成變換視頻數據；以及逆量化單元，用於逆量化存儲在所述局部存儲器中的變換視頻數據，所述逆量化單元的輸出被提供到所述離散餘弦逆變換單元。所述量化單元與所述數據總線無關地直接從所述離散餘弦變換單元接收所述變換微分視頻數據。所述逆量化單元與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述變換視頻數據。所述離散餘弦逆變換單元與所述數據總線無關地直接從所述逆量化單元接收所述逆量化單元的輸出，作為所述變換視頻數據。
所述變換編碼器在正向模式和反向模式中操作，其中，在正向操作模式中，所述離散餘弦變換單元和所述量化單元是有效的，以及當在反向操作模式中時，所述離散餘弦逆變換單元和所述逆量化單元是有效的。所述變換編碼器基於所述變換編碼器選擇信號的狀態，在所述正向模式和所述反向模式間選擇。響應由所述局部存儲器處理的變換視頻信號的計數，生成所述變換編碼器模式選擇信號。
當由所述離散餘弦變換單元生成所述變換微分視頻段時，所述量化單元對所述變換微分視頻數據執行所述量化操作，以便所述量化單元和所述離散餘弦變換單元同時在所述變換微分視頻數據上操作。類似地，當由所述逆量化單元生成所述逆量化單元的輸出數據段時，所述離散餘弦逆變換單元在所述逆量化單元的視頻數據輸出上操作，以便所述離散餘弦逆變換單元和所述量化單元同時在所述逆量化單元的輸出數據上操作。
所述運動估計處理器包括運動估計單元，用於基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據，生成運動矢量；運動判定單元，用於基於所述運動矢量確定操作模式，所述操作模式為幀內模式和幀間模式中的一種；以及運動補償單元，用於基於所確定的操作模式，生成微分數據，以便當所述操作模式為所述幀內模式時，由所述運動估計處理器輸出所述當前視頻數據作為所述微分視頻數據，以及以便當所述操作模式為幀間模式時，基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據間的差異，由所述運動補償單元生成所述微分數據。
提供用於合成所述逆變換視頻數據和所述基準視頻數據以及用於將所述合成數據輸出為重新構建視頻數據的合成器。當所述操作模式為幀間模式時，將所述基準視頻數據存儲在所述局部存儲器中，以及其中所述合成器與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述基準視頻數據。所述合成器可選地與所述數據總線無關地直接從所述變換編碼器接收所述逆變換視頻數據。將所述重新構建視頻數據輸出到所述數據總線，其中將來自在前幀的所述重新構建視頻數據用作用於下一幀的基準視頻數據。
可以提供用於處理所述變換視頻數據和用於將所述變換視頻數據輸出為壓縮視頻數據的輸出單元。所述輸出單元包括例如Z字形掃描單元和用於統計縮減所述變換數據的變長編碼(VLC)單元。
所述局部存儲器包括例如第一局部存儲器，用於存儲從所述數據總線接收的所述當前視頻數據和基準視頻數據以及用於存儲基於將輸出到所述數據總線的所述變換視頻數據和所述基準視頻數據，由合成器生成的重新構建視頻數據；第二局部存儲器，用於存儲由所述合成器存取的所述基準視頻數據；第三局部存儲器，用於存儲由所述變換編碼器輸出的所述變換視頻數據。
可以進一步提供DMA控制器，用於從所述數據總線檢索所述當前視頻數據和所述基準視頻數據以便存儲在所述第一局部存儲器中，以及用於將所述重新構建視頻數據從所述第一局部存儲器傳送到所述數據總線。
另一方面，本發明提供一種視頻數據壓縮系統。該系統包括連接到數據總線的處理單元。連接在所述數據總線和外部存儲器間的存儲控制器。還提供視頻數據核心單元。視頻數據核心單元包括運動估計處理器，用於從數據總線接收當前視頻數據和用於基於當前視頻數據和基準視頻數據間的差異，生成微分視頻數據。變換編碼器，直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據和用於將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換視頻數。局部存儲器，用於存儲所述變換視頻數據。
再一方面，本發明提供一種用於壓縮視頻數據的方法。從數據總線接收當前視頻數據和基於所述當前視頻數據和基準視頻數據間的差異，生成微分視頻數據；直接由變換編碼器接收所述微分視頻數據和將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換視頻數據。然後將所述變換視頻數據存儲在局部存儲器中。
從附圖中所述的本發明的優選實施例的更具體的描述，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將是顯而易見的，其中在不同視圖中，相同的標記表示相同的部件。這些圖不需要按比例繪製，它們僅僅用於說明本發明的原理。
圖1是傳統的視頻數據壓縮器的功能框圖。
圖2是包括圖1的視頻數據壓縮器的傳統移動系統的框圖。
圖3是根據本發明的移動系統的框圖。
圖4是根據本發明的優選實施例的視頻數據壓縮器的功能框圖。
圖5是用於描述圖4的視頻數據壓縮器的操作的時序圖。
圖6是用於另外啟動正和逆離散餘弦變換單元和正和逆量化單元的電路的電路框圖。
圖7是根據本發明的圖4所示的移動補償單元的實施例的詳細框圖。
具體實施例方式
圖3示出了根據本發明的包括視頻數據壓縮器104的移動系統100的框圖。移動系統100包括例如SDRAM102的外部存儲器102以及視頻數據壓縮器104。視頻數據壓縮器104是例如構造成單片系統並包括中央處理單元(CPU)106、視頻核心(video core)110、外部存儲控制器108和局部總線。視頻核心110經存儲控制器108從外部存儲器102讀取數據並將數據寫入外部存儲器102中。
當執行視頻數據壓縮時，視頻核心110每次處理一個宏塊行的數據，或可選地，每次處理一幀數據，這取決於由CPU110提供的局部總線上可用的數據帶寬。
移動系統100將運動補償MC、運動估計ME、離散餘弦變換DCT(和離散餘弦逆變換(IDCT)以及量化Q功能塊集成到單個晶片上。從而所消耗的電路區的量小於傳統系統中。另外，因為局部存儲器(見例如圖4的存儲器118、122和130)被嵌入在視頻數據核心110中，能在功能塊間直接傳遞某些數據元，因此，大大降低了在局部總線149上存取外部存儲器102的數量，即工作帶寬。因此，同樣降低移動系統的功耗。
參考圖4，本發明的視頻核心110包括運動估計處理器MEP111、三個局部存儲器單元118，122和130、離散餘弦變換(DCT)/離散餘弦逆變換(IDCT)單元126、量化/逆量化單元128、直接存儲器存取控制器(DMA)120、Z字形掃描單元ZZ132和變長編碼器134。Z字形掃描單元132連同變長編碼器134是輸出單元的一部分，並根據傳統的方式操作以產生輸出數據流135。
三個局部存儲器單元包括工作存儲器118、第一局部存儲器LM0 122以及第二局部存儲器LM1 130。在一個例子中，工作存儲器的大小為768×32位，每一局部存儲器LM0的大小為384×8位以及第二局部存儲器LM1的大小為384×9位。各個存儲器單元118、122、130的大小可以根據應用需要而改變。
運動估計處理器MEP11包括運動估計ME單元112、模式判定單元114、以及運動補償MC單元116。運動估計ME逆時針112基於當前宏塊和基準宏塊生成運動矢量。基於運動矢量，由模式判定單元114實現模式判定。特別地，模式判定單元114確定視頻核心是在幀內模式還是幀間模式中操作。假定在幀間模式中操作，那麼由接收由運動估計ME單元112生成的運動矢量的運動補償單元MC116執行運動補償。在這種情況下，運動補償單元116在確定運動矢量後，產生表示當前宏塊和在前重新構建的宏塊間的差異的微分宏塊。假定在幀內模式操作，不執行運動補償。
圖7是根據本發明，圖4的運動補償單元的實施例的詳細描述。如上所述，模式判定單元114做出有關視頻核心將在幀間模式還是幀內模式操作的判定。在幀內模式中，模式判定單元114輸出將應用到多路復用器302的選擇信號，用於選擇從工作存儲器118接收的輸入數據。在幀間模式中，模式判定單元114輸出將應用到多路復用器302的選擇信號SEL，用於選擇從運動補償塊304接收的輸入數據，運動補償塊304負責基於從運動估計ME塊112接收的運動矢量和基於從工作存儲器118接收的輸入數據，生成微分數據。然後，根據選擇信號，在多路復用器選擇的數據被作為數據125提供給DCT/IDCT單元126和第一局部存儲器LM0。
現在將描述視頻核心110的詳細功能性。經局部總線(見圖3的149)，傳送當前宏塊和相關的搜索窗塊。並通過存儲控制器120存儲在工作存儲器118中。假定上面給出的例子的參數，讀取為1*16＝256位元組數據的亮度宏塊(見下面的表面的步驟(1)以及還讀取為48*48＝2304位元組數據的搜索窗(見下面的表2的步驟(2)。運動估計單元ME112從工作存儲器118讀取當前宏塊和從工作存儲器118讀取搜索窗塊並確定當前宏塊的運動矢量。模式判定單元114確定用於視頻數據壓縮的操作模式；例如，該模式是幀間模式還是幀內模式。
如上所述，當在幀間模式時，由運動估計處理器MEP111中的運動補償單元MC116執行運動補償。在幀間模式中，運動估計單元ME112確定與當前宏塊有關的運動矢量。運動補償單元MC116從工作存儲器118讀取當前宏塊和重新構建的在前宏塊並使用從工作估計單元ME112獲得的運動矢量，執行運動補償。在完成這些操作中，運動補償單元116從工作存儲器讀取每個為8*8＝64位元組數據的當前色度塊藍Cb和當前色度塊紅Cr，同時讀取每個為9*9＝81位元組的在前色度塊藍Cb和在前色度塊紅Cr，如下面的表2的步驟(3)至(6)所示。作為運動補償過程的結果，生成表示當前宏塊和在前運動補償宏塊間的差異的微分宏塊數據125。然後將微分宏塊數據125提供給離散餘弦變換/離散餘弦逆變換單元DCT/IDCT126。同時，將微分宏塊數據125存儲在第一局部存儲器LM0 122中。注意在這一實施例中，不將微分宏塊數據寫入外部存儲器，從而節約局部總線帶寬，並降低功耗。
另外，當在幀內模式中時，在MEP111中不執行運動補償，即，直接將當前宏塊提供給DCT/IDCT單元。
DCT/IDCT單元126和量化/逆量化單元Q/IQ128是例如分別由單個單元構成。由將在下面參考圖6進一步詳細描述的操作控制邏輯控制單元控制單元126、18是在操作的正模式(DCT和Q)還是操作的逆模式(IDCT和IQ)中操作。DCT和IDCT能執行為單個單元，因此，用於DCT和IDCT操作的統一塊能比兩個單獨的單元更有效，特別是在最關心電路區消耗的情況下。這一相同的情形也應用於Q和IQ操作上。
根據本發明，通過正向離散餘弦變換單元DCT126處理由運動補償單元MC116提供的微分宏塊125以生成正向變換數據147，其依次被正矢量化單元Q128處理。將存儲變換和量化的數據127存儲在例如第二局部存儲器LM1130中。同樣，在這種情況下，在單元126、18和局部存儲器130間傳遞數據147、127而不需要經局部總線的外部存儲器存取。在通過操作控制邏輯(見圖6)將單元126、128的操作模式從正向改變到逆向後，在所變換和量化的數據127上順序地執行逆量化IQ和逆離散餘弦變換IDCT。
量化/逆量化單元Q/IQ128從CPU106經局部總線接收量化速率控制信號。另外，可由從CPU106接收視頻數據的大小和目標位速率的量化速率控制邏輯確定量化速率。
在IQ單元128的逆量化後，生成第一逆量化數據131。將逆量化數據131提供給逆離散餘弦變換單元126，其生成逆離散餘弦變換數據129。在合成器124，將逆離散餘弦變換數據增加到存儲在第一局部存儲器LM0 122中的微分宏塊數據125a上，以及將附加數據145存儲在工作存儲器118中。同時，在這種情況下，在單元130、128、126、124、118間傳遞數據127a、131、129、125a而不需要經局部總線149的外部存儲器存取。然後，通過存儲控制器120將為8*8*6＝384位元組數據的所存儲的附加數據再存入到幀存儲器，如下面的表2的步驟(7)中所示以便用作用於後面的幀數據的重新構建在前宏塊。
變長編碼器單元VLC134也從第二局部存儲器LM1 130，經Z字形掃描電路接收所變換和量化的宏塊數據127a，並在統計減少數據大小後，輸出所編譯的位流125。用於降低數據大小的統計方法可以包括例如Huffman編碼方法。
用這種方式，本發明的系統和方法完成視頻數據壓縮的迭代，同時限制了經局部總線149存取外部存儲器的需要。在這種情況下，與在傳統系統下的6373位元組相比，存取被限定到傳送3234位元組。在這一示例性例子中的存取容量的差異在於在傳統的實施例中所需的表1的步驟(7)至(15)的外部存取(用表1的粗斜體表示)在本發明的系統和方法中是不必要的。
圖5是用於示例說明圖4的視頻核心110中的數據交換的時間的時序圖。參考圖4和5，在步驟201，視頻核心110使用DMA存儲控制器120檢索當前宏塊和搜索窗塊，並將它們寫入工作存儲器118。運動估計器單元ME112在步驟202從工作存儲器118檢索當前宏塊和搜索窗塊並確定運動矢量，以及模式判定單元114確定幀內模式和幀間模式間的操作模式。假定操作模式是幀間模式，在步驟203，運動補償單元MC116從工作存儲器118或經存儲控制器120從外部幀存儲器檢索當前色度藍Cb和色度紅Cr塊和在前色度藍Cb和色度紅Cr塊，並產生微分宏塊數據125。在步驟204，將微分宏塊數據125存儲在第一局部存儲器122中。
同時，將微分宏塊數據輸入到DCT/IDCT單元126。在優選實施例中，當由運動補償單元MC116生成像素行的第一微分宏塊數據時，DCT/IDCT126啟動離散餘弦變換。類似地，當在步驟205生成第一DCT係數時，量化單元Q128啟動量化過程。然後，將量化輸出數據127存儲在第二局部存儲器LM1 130中，如步驟206所示。
在步驟207，通過變長編碼單元VLC134，從第二局部存儲器讀取量化輸出數據127a。然後，例如，將以如位流135的形式的編碼數據提供給接收數據流的數據信道或裝置。另外，在步驟208中，經存儲控制器120，將編碼數據135存儲在外部幀存儲器中。
當將用於當前宏塊的所有量化的係數(例如384位元組)存儲在第二局部存儲器LM1 130中時，視頻數據壓縮器110將DCT/IDCT和Q/IQ單元126、128的操作模式從正向模式(即，數據壓縮)改變成反向模式(即，數據解壓縮)。當模式被改變成反向模式時，在步驟209，通過逆量化單元128，從第二局部存儲器130讀取用於當前宏塊的量化係數127a以及逆量化過程開始。在生成第一逆量化數據131時，在IDCT單元126開始逆離散餘弦變換過程，如步驟210所示。然後，在步驟211，逆離散餘弦變換數據129被傳送到合成器124，在此處它們被添加到先前存儲在第一局部存儲器LM0 122中的基準宏塊上，如步驟211a所示，在步驟212，附加數據145被存儲在工作存儲器118中，如步驟213所示，通過存儲控制器120，其最終被再存入外部幀存儲器，以便用作用於下一數據幀的重新構建在前宏塊。
圖6是正/逆模式控制電路的實施例的電路框圖。在這一實施例中，離散餘弦變換/離散餘弦逆變換單元DCT/IDCT和量化/逆量化單元Q/IQ的每一個接收由地址發生器單元181生成的模式信號MODE。在正操作模式中，經DCT/IDCT單元輸入F_En、F_Data接收來自運動補償單元116的微分運動塊數據125，處理該數據，以及將最終輸出數據147傳送到Q/IQ單元128。類似地，Q/IQ單元128輸入F_En、F_Data接收DCT輸出數據147並將所量化的輸出數據127傳送到第二局部存儲器130。第二局部存儲器130包括生成用於局部存儲器的地址以便存儲數據或從其檢索數據的模式控制邏輯181。模式控制邏輯計算存儲在存儲器中的量化宏塊中的數據元的數量。當計數達到預定數量時，例如，在當前例子中為384，其確定所有量化數據已經被寫入存儲器中，從而將模式從正向改變到反向。在反向模式中，觸發由模式控制邏輯181生成的D_Mode信號並且在反向方向中，將存儲在第二局部存儲器LM1 130中的量化數據傳送到IQ單元128和IDCT單元126。當從局部存儲器130檢索到量化數據時，模式控制邏輯再次計算所讀取的數據字節數直到再次達到預定數為止，在這種情況下，模式被返回到正向模式。
下面的表2提供通過本發明的視頻核心110，而在操作的幀間模式中，按照數據字節的每視頻數據壓縮的迭代經局部總線的外部存儲器的存取數的例子。表2的例子假定與上表1中假定的相同的宏塊數據結構。再次將用於在運動估計單元ME112中生成運動矢量的搜索窗塊的大小假定為fcode＝1(-16～+15.5)。
如上所述，根據本發明的視頻核心110中的每個處理單元，例如運動估計單元ME112、運動補償單元MC116、離散餘弦變換單元DCT126和量化單元Q128具有直接單元間(inter-unit)數據接口通路。因此，各個單元不必存取外部存儲器來接收和傳送和數據。為提供與外部存儲器無關的直接數據接口，本發明的視頻數據壓縮器包括三個內部存儲器單元，即工作存儲器118、第一局部存儲器122和第二局部存儲器130。
另外，由於第一運動補償過程的結果作為微分宏塊數據存儲在第一局部存儲器LM0.122中，當執行第二運動補償過程時，視頻數據補償器110不必存取外部存儲器來檢索它。這是與傳統方法，其中在第一補償過程(見表1的步驟(3)、(4)、(5)、(6)和(7))期間和在第二運動補償過程期間(見表1的步驟(12)、(13)和(14))均存取外部存儲器相比較而言。
因此，將表1所示的傳統實施例的外部存儲器存取的頻率和數量與表2所述的本發明的實施例的外部存儲器存取的頻率和數量比較，根據本發明的視頻數據壓縮器對外部存儲器存取的需求提供急劇縮減。
如上所述，在本發明的優選實施例中，將DCT和IDCT功能組合在單個單元中，以及將量化Q和逆量化Q功能組合在單個單元中。根據需要，正向/逆向模式控制電路觸發正向和逆向間的模式。這減少了由這些功能所消耗的電路區域數量。
用這種方式，根據本發明的視頻數據壓縮器在字節數方面減少了外部存儲器存取的數量達顯著量。因此，局部總線所需的工作頻率相對較低，使本發明的系統和方法非常適合於移動系統。
儘管參考其優選實施例具體示出和描述了本發明，本領域的技術人員將理解到在不背離附加權利要求書限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以在形式和細節方面做出各種改變。
權利要求
1.一種視頻數據壓縮單元，包括運動估計處理器，用於從數據總線接收當前視頻數據和用於基於當前視頻數據和基準視頻數據間的差異，生成微分視頻數據；變換編碼器，用於直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據和用於將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換的視頻數據；以及局部存儲器，用於存儲所述變換的視頻數據。
2.如權利要求1所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。
3.如權利要求1所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，與所述數據總線無關地直接將所述變換視頻數據寫入用於存儲的所述局部存儲器。
4.如權利要求1所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器進一步從所述局部存儲器檢索所述變換視頻數據以及將所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換為所述空間域以生成逆變換視頻數據。
5.如權利要求4所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器包括離散餘弦變換(DCT)單元，用於將所述微分視頻數據從所述空間域變換成所述頻率域以生成變換微分視頻數據；以及離散餘弦逆變換(IDCT)單元，用於將存儲在所述局部存儲器中的所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換成所述空間域。
6.如權利要求5所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述離散餘弦變換單元與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。
7.如權利要求5所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述運動估計處理器生成所述微分視頻數據段時，所述離散餘弦變換單元對所述微分視頻數據執行所述變換操作，以便所述離散餘弦變換單元和所述運動估計處理器同時在所述微分視頻數據上操作。
8.如權利要求5所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器進一步包括量化單元，用於量化由所述離散餘弦變換(DCT)輸出的變換微分視頻數據以便生成變換視頻數據；以及逆量化單元，用於逆量化存儲在所述局部存儲器中的變換視頻數據，所述逆量化單元的輸出被提供到所述離散餘弦逆變換單元。
9.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述量化單元與所述數據總線無關地直接從所述離散餘弦變換單元接收所述變換微分視頻數據。
10.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述逆量化單元與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述變換視頻數據。
11.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述離散餘弦逆變換單元與所述數據總線無關地直接從所述逆量化單元接收所述逆量化單元的輸出，作為所述變換視頻數據。
12.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器在正向模式和反向模式中操作，其中，在正向操作模式中，所述離散餘弦變換單元和所述量化單元是有效的，以及當在反向操作模式中時，所述離散餘弦逆變換單元和所述逆量化單元是有效的。
13.如權利要求12所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器基於所述變換編碼器選擇信號的狀態，在所述正向模式和所述反向模式間選擇。
14.如權利要求13所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，響應由所述局部存儲器處理的變換視頻信號的計數，生成所述變換編碼器模式選擇信號。
15.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述離散餘弦變換單元生成所述變換微分視頻段時，所述量化單元在所述變換微分視頻數據上執行所述量化操作，以便所述量化單元和所述離散餘弦變換單元同時在所述變換微分視頻數據上操作。
16.如權利要求8所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述逆量化單元生成所述逆量化單元的輸出數據段時，所述離散餘弦逆變換單元在所述逆量化單元的視頻數據輸出上操作，以便所述離散餘弦逆變換單元和所述量化單元同時在所述逆量化單元的輸出數據上操作。
17.如權利要求4所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述運動估計處理器包括運動估計單元，用於基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據，生成運動矢量；運動判定單元，用於基於所述運動矢量確定操作模式，所述操作模式為幀內模式和幀間模式中的一種；以及運動補償單元，用於基於所確定的操作模式，生成微分數據，以便當所述操作模式為所述幀內模式時，由所述運動估計處理器輸出所述當前視頻數據作為所述微分視頻數據，以及以便當所述操作模式為幀間模式時，基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據間的差異，由所述運動補償單元生成所述微分數據。
18.如權利要求17所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括用於合成所述逆變換視頻數據和所述基準視頻數據，以及用於將所述合成數據輸出為重新構建視頻數據的合成器。
19.如權利要求18所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當所述操作模式為幀間模式時，將所述基準視頻數據存儲在所述局部存儲器中，以及其中所述合成器與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述基準視頻數據。
20.如權利要求18所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述合成器與所述數據總線無關地直接從所述變換編碼器接收所述逆變換視頻數據。
21.如權利要求18所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，將所述重新構建視頻數據輸出到所述數據總線，其中將來自在前幀的所述重新構建視頻數據用作用於下一幀的基準視頻數據。
22.如權利要求1所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括用於處理所述變換視頻數據和用於將所述變換視頻數據輸出為壓縮視頻數據的輸出單元。
23.如權利要求22所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述輸出單元包括Z字形掃描單元和用於統計縮減所述變換數據的變長編碼(VLC)單元。
24.如權利要求1所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述局部存儲器包括第一局部存儲器，用於存儲從所述數據總線接收的所述當前視頻數據和基準視頻數據以及用於存儲基於將輸出到所述數據總線的所述變換視頻數據和所述基準視頻數據，由合成器生成的重新構建視頻數據；第二局部存儲器，用於存儲由所述合成器存取的所述基準視頻數據；第三局部存儲器，用於存儲由所述變換編碼器輸出的所述變換視頻數據。
25.如權利要求24所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括DMA控制器，用於從所述數據總線檢索所述當前視頻數據和所述基準視頻數據以便存儲在所述第一局部存儲器中，以及用於將所述重新構建視頻數據從所述第一局部存儲器傳送到所述數據總線。
26.一種視頻數據壓縮系統，包括連接到數據總線的處理單元；連接在所述數據總線和外部存儲器間的存儲控制器；以及視頻數據核心單元，包括運動估計處理器，用於從數據總線接收當前視頻數據和用於基於當前視頻數據和基準視頻數據間的差異，生成微分視頻數據；變換編碼器，直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據和用於將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換視頻數據；以及局部存儲器，用於存儲所述變換視頻數據。
27.如權利要求26所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。
28.如權利要求26所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，與所述數據總線無關地直接將所述變換視頻數據寫入所述局部存儲器，用於存儲。
29.如權利要求26所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器進一步從所述局部存儲器檢索所述變換視頻數據以及將所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換為所述空間域以生成逆變換視頻數據。
30.如權利要求29所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器包括離散餘弦變換(DCT)單元，用於將所述微分視頻數據從所述空間域變換成所述頻率域以生成變換微分視頻數據；以及離散餘弦逆變換(IDCT)單元，用於將存儲在所述局部存儲器中的所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換成所述空間域。
31.如權利要求30所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述離散餘弦變換單元與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。
32.如權利要求30所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述運動估計處理器生成所述微分視頻數據段時，所述離散餘弦變換單元在所述微分視頻數據上執行所述變換操作，以便所述離散餘弦變換單元和所述運動估計處理器同時在所述微分視頻數據上操作。
33.如權利要求30所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器進一步包括量化單元，用於量化由所述離散餘弦變換(DCT)輸出的變換微分視頻數據以便生成變換視頻數據；以及逆量化單元，用於逆量化存儲在所述局部存儲器中的變換視頻數據，所述逆量化單元的輸出被提供到所述離散餘弦逆變換單元。
34.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述量化單元與所述數據總線無關地直接從所述離散餘弦變換單元接收所述變換微分視頻數據。
35.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述逆量化單元與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述變換視頻數據。
36.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述離散餘弦逆變換單元與所述數據總線無關地直接從所述逆量化單元接收所述逆量化單元的輸出，作為所述變換視頻數據。
37.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器在正向模式和反向模式中操作，其中，在正向操作模式中，所述離散餘弦變換單元和所述量化單元是有效的，以及當在反向操作模式中時，所述離散餘弦逆變換單元和所述逆量化單元是有效的。
38.如權利要求37所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述變換編碼器基於所述變換編碼器選擇信號的狀態，在所述正向模式和所述反向模式間選擇。
39.如權利要求38所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，響應由所述局部存儲器處理的變換視頻信號的計數，生成所述變換編碼器模式選擇信號。
40.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述離散餘弦變換單元生成所述變換微分視頻段時，所述量化單元在所述變換微分視頻數據上執行所述量化操作，以便所述量化單元和所述離散餘弦變換單元同時在所述變換微分視頻數據上操作。
41.如權利要求33所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當由所述逆量化單元生成所述逆量化單元的輸出數據段時，所述離散餘弦逆變換單元在所述反量化單元的視頻數據輸出上操作，以便所述離散餘弦反變換單元和所述量化單元同時在所述逆量化單元的輸出數據上操作。
42.如權利要求29所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述運動估計處理器包括運動估計單元，用於基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據，生成運動矢量；運動判定單元，用於基於所述運動矢量確定操作模式，所述操作模式為幀內模式和幀間模式中的一種；以及運動補償單元，用於基於所確定的操作模式，生成微分數據，以便當所述操作模式為所述幀內模式時，由所述運動估計處理器輸出所述當前視頻數據作為所述微分視頻數據，以及以便當所述操作模式為幀間模式時，基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據間的差異，由所述運動補償單元生成所述微分數據。
43.如權利要求42所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括用於合成所述逆變換視頻數據和所述基準視頻數據，以及用於將所述合成數據輸出為重新構建視頻數據的合成器。
44.如權利要求43所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，當所述操作模式為幀間模式時，將所述基準視頻數據存儲在所述局部存儲器中，以及其中所述合成器與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述基準視頻數據。
45.如權利要求43所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述合成器與所述數據總線無關地直接從所述變換編碼器接收所述逆變換視頻數據。
46.如權利要求43所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，將所述重新構建視頻數據輸出到所述數據總線，其中將來自在前幀的所述重新構建視頻數據用作用於下一周期的基準視頻數據。
47.如權利要求26所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括用於處理所述變換視頻數據和用於將所述變換視頻數據輸出為壓縮視頻數據的輸出單元。
48.如權利要求22所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述輸出單元包括Z字形掃描單元和用於統計縮減所述變換數據的變長編碼(VLC)單元。
49.如權利要求26所述的視頻數據壓縮單元，其特徵在於，所述局部存儲器包括第一局部存儲器，用於存儲從所述數據總線接收的所述當前視頻數據和基準視頻數據以及用於存儲基於將輸出到所述數據總線的所述變換視頻數據和所述基準視頻數據，由合成器生成的重新構建視頻數據；第二局部存儲器，用於存儲由所述合成器存取的所述基準視頻數據；第三局部存儲器，用於存儲由所述變換編碼器輸出的所述變換視頻數據。
50.如權利要求49所述的視頻數據壓縮單元，進一步包括DMA控制器，用於從所述數據總線檢索所述當前視頻數據和所述基準視頻數據以便存儲在所述第一局部存儲器中，以及用於將所述重新構建視頻數據從所述第一局部存儲器傳送到所述數據總線。
51.一種用於壓縮視頻數據的方法，包括在運動估計處理器，從數據總線接收當前視頻數據和基於所述當前視頻數據和基準視頻數據間的差異，生成微分視頻數據；在變換編碼器，直接接收所述微分視頻數據和將所述微分視頻數據從空間域變換成頻率域以便生成變換視頻數據；以及將所述變換視頻數據存儲在局部存儲器中。
52.如權利要求51所述的方法，進一步包括與所述數據總線無關地直接從所述運動估計處理器接收所述微分視頻數據。
53.如權利要求51所述的方法，其特徵在於，與所述數據總線無關地直接將所述變換視頻數據寫入所述局部存儲器，用於存儲。
54.如權利要求51所述的方法，其特徵在於，變換進一步從所述局部存儲器檢索所述變換視頻數據以及將所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換為所述空間域以生成逆變換視頻數據。
55.如權利要求54所述的方法，進一步包括使用離散餘弦變換(DCT)將所述微分視頻數據從所述空間域變換成所述頻率域以生成變換微分視頻數據；以及使用離散餘弦逆變換(IDCT)將存儲在所述局部存儲器中的所述變換視頻數據從所述頻率域逆變換成所述空間域。
56.如權利要求55所述的方法，進一步包括與所述數據總線無關地直接接收所述微分視頻數據。
57.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，使用離散餘弦變換的變換包括當由所述運動估計處理器生成所述微分視頻數據段時，變換所述微分視頻數據，以便同時在所述微分視頻數據執行生成微分視頻數據和變換所述微分視頻數據。
58.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，變換進一步包括在量化單元，量化離散餘弦變換(DCT)的所述變換微分視頻數據以便生成變換視頻數據；以及在逆量化單元，在離散餘弦逆變換所述數據前，逆量化存儲在局部存儲器中的所述變換視頻數據。
59.如權利要求58所述的方法，其特徵在於，在所述量化單元與所述數據總線無關地直接接收所述離散餘弦變換數據。
60.如權利要求58所述的方法，其特徵在於，在所述逆量化單元與所述數據總線無關地直接接收所述變換視頻數據。
61.如權利要求58所述的方法，其特徵在於，在操作的正向模式和反向模式中發生變換，其中，在正向操作模式中，所述離散餘弦變換和量化操作是有效的，以及當在反向操作模式中時，所述離散餘弦逆變換和所述逆量化操作是有效的。
62.如權利要求54所述的方法，其特徵在於，生成微分視頻數據包括基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據，生成運動矢量；基於所述運動矢量確定操作模式，所述操作模式為幀內模式和幀間模式中的一種；以及基於所確定的操作模式，生成微分數據，以便當所述操作模式為所述幀內模式時，所述當前視頻數據輸出為所述微分視頻數據，以及以便當所述操作模式為幀間模式時，基於所述當前視頻數據和所述基準視頻數據間的差異，生成所述微分數據。
63.如權利要求62所述的方法，進一步包括合成所述逆變換視頻數據和所述基準視頻數據，以及將所述合成數據輸出為重新構建視頻數據。
64.如權利要求63所述的方法，其特徵在於，當所述操作模式為幀間模式時，將所述基準視頻數據存儲在所述局部存儲器中，以及其中所述合成步驟與所述數據總線無關地直接從所述局部存儲器接收所述基準視頻數據。
65.如權利要求63所述的方法，其特徵在於，將所述重新構建視頻數據輸出到所述數據總線，其中將來自在前幀的所述重新構建視頻數據用作用於下一幀的基準視頻數據。
66.如權利要求51所述的方法，其特徵在於，所述局部存儲器包括第一局部存儲器，用於存儲從所述數據總線接收的所述當前視頻數據和基準視頻數據以及用於存儲基於將輸出到所述數據總線的所述變換視頻數據和所述基準視頻數據生成的重新構建視頻數據；第二局部存儲器，用於存儲所述基準視頻數據；第三局部存儲器，用於存儲所述變換視頻數據。
全文摘要
系統和方法以限制對外部存儲器存取需要的方式執行視頻數據壓縮。因此，降低局部數據總線的工作頻率並因此最小化功耗。用這種方式，本發明特別適合於用在移動系統中。
文檔編號H04N7/26GK1520187SQ20031011794
公開日2004年8月11日 申請日期2003年11月26日 優先權日2003年1月29日
發明者樸賢相, 樸泰煥, 崔正熙 申請人:三星電子株式會社