[논문]H.264 움직임 추정을 위한 효율적인 SAD 프로세서

장영범; 오세만; 김비철; 유현중

[국내논문] H.264 움직임 추정을 위한 효율적인 SAD 프로세서
Efficient SAD Processor for Motion Estimation of H.264 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SP, 신호처리, v.44 no.2 = no.314, 2007년, pp.74 - 81

장영범 (상명대학교 정보통신공학과) , 오세만 (상명대학교 정보통신공학과) , 김비철 (상명대학교 정보통신공학과) , 유현중 (상명대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

이 논문에서는 H.264의 효율적인 움직임 추정을 위한 새로운 SAD(Sum of Absolute Differences) 프로세서의 구조를 제안하였다. SAD 프로세서는 전영역 탐색기법의 움직임 추정이나 고속 탐색기법의 움직임 추정에서 모두 사용되는 중요한 블록이다. 제안된 구조는 SAD 계산기 블록, combinator 블록, 최소값 계산기 블록의 3개의 블록으로 구성된다. 제안된 구조는 덧셈연산을 분산 연산(Distributed Arithmetic)을 사용하여 계산함으로써 구조를 단순화시켰다. 제안 구조를 HDL(Hardware Description Language)을 사용하여 실험한 결과 기존의 구조와 비교하여 39%의 게이트 카운트 감소효과를 보였다. 또한 FPGA를 사용하여 검증한 결과도 32%의 게이트 카운트 감소효과를 보였다. 따라서 제안된 움직임 추정용 SAD 프로세서는 칩의 면적이 중요한 변수인 H.264 칩에서 널리 사용될 수 있는 구조가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an efficient SAD(Sum of Absolute Differences) processor structure for motion estimation of H.264 is proposed. SAD processors are commonly used both in full search methods for motion estimation and in fast search methods for motion estimation. Proposed structure consists of SAD calculator block, combinator block, and minimum value calculator block. Especially, proposed structure is simplified by using Distributed Arithmetic for addition operation. The Verilog-HDL(Hard Description Language) coding and FPGA(Field Programmable Gate Array) implementation results for the proposed structure show 39% and 32% gate count reduction in comparison with those of the conventional structure, respectively. Due to its efficient processing scheme, the proposed SAD processor structure can be widely used in size dominant H.264 chip.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 그 중간인 4개의 4×4 SAD 계산기를 만들어서 4번 반복하여 사용할 수도 있다. 이 논문에서는 4×4 SAD 계산기를 16개 사용하여 고속으로 SAD를 계산하는 방식을 제안한다. 16개의 4×4 SAD 계산기를 사용하므로 각각의 4×4 SAD 계산기의 하드웨어 구조를 작게 하는 것이 이 논문의 핵심이다.
이 논문에서는 4×4 SAD 계산기를 16개 사용하여 고속으로 SAD를 계산하는 방식을 제안한다. 16개의 4×4 SAD 계산기를 사용하므로 각각의 4×4 SAD 계산기의 하드웨어 구조를 작게 하는 것이 이 논문의 핵심이다.
본 논문에서는 H.264 움직임 주정 알고리즘에 사용되는 SAD 연산을 위한 단순화된 구조를 제안하였다. 제안된 SAD 프로세서는 SAD 계산기, Combinator, 최소값 계산기로 구성하였으며 특히 분산 연산을 사용하여 SAD 계산기의 게이트 카운트를 줄일 수 있었다.

제안 방법

SAD 계산기의 저전력 구조이다. 즉, 4×4 SAD 계산을 위한 저전력 구조를 제안하며, 이를 16개 사용하여 4×4 SAD 계산기 구조를 설계하였다. 제안된 전체의 SAD 프로세서 구조는 다음과 같이 3개의 파트로 구성된다.
그 결과 값의 MSB를 검사하여。이면, 즉 양수이면 MU以의 sei이 0이 되어 값을 그대로 통과시키게 설계하였다. 그리고 MSB가 1이면, 즉 결과 값이 음수이면 절대값을 계산하기위하여 인버터회로와 +1회로를 거치도록 설계하였다. 이 동작이 직렬로 동작하므로 A2의 +1회로는 반가산기 1개로 구성할 수 있다.
기존의 SAD 방식은 1단계에 8개의 가산기를 필요로 한다. 즉, ADO과 ADI, AD2와 AD3, AD4와 AD5, AD6 과 AD7, AD8 과 AD9, AD10 과 AD11, AD12와 AD13, AD14와 AD15를 각각 가산기를 사용하여 더한다. 따라서 2단계에는 4개, 3단계에는 2개 마지막 4단계에 1개의 가산기를 필요로 한다.
기존의 SAD 방식 계산기 구조와 비교하여 우리는 16개의 operand를 LSB부터 더하는 방식을 제안한다. 즉, 16개의 AD 값들을 병렬로 받아서 LSB의 1비트부터 계산하는 방식이다.
본 논문에서 제안한 4×4 SAD 프로세서의 성능을 평가하기 위해 Verilog-HDL시뮬레이션을 수행하였다. 실험에 사용된 To이은 Xilinx ISE 7.
세 번째 클록에 11 비트의 가산기를 2개 사용하고 2개의 12 비트 레지스터에 저장된다. 네 번째 클록에 12 비트의 가산기를 1개 사용하고 1개의 13 비트 레지스터에 저장되어 4×4 블록의 SAD 값이 출력되도록 실험하였다.
제안구조는 처음 클록에 1 비트의 가산기가 8개 사용되고 8개의 2 비트 레지스터에 저장하였다. 두 번째 클록에는 2 비트의 가산기를 4개 사용하고 4개의 3 비트 레지스터에 저장하였다. 세 번째 클록에 3 비트의 가산기를 2개 사용되고 2개의 4 비트 레지스터에 결과 값을 저장하였다.
세 번째 클록에 3 비트의 가산기를 2개 사용되고 2개의 4 비트 레지스터에 결과 값을 저장하였다. 네 번째 클록에 4 비트의 가산기를 1개 사용하고 1개의 5 비트 레지스터에 결과를 저장하였다. 다섯 번째 클록에 먼저 저장되어있던 값을 LSB 쪽(right shift)으로 1 비트 쉬프트 하고 현재 출력된 5 비트의 값과 덧셈을 수행하였다.
네 번째 클록에 4 비트의 가산기를 1개 사용하고 1개의 5 비트 레지스터에 결과를 저장하였다. 다섯 번째 클록에 먼저 저장되어있던 값을 LSB 쪽(right shift)으로 1 비트 쉬프트 하고 현재 출력된 5 비트의 값과 덧셈을 수행하였다. 이렇게 비트를 순차적으로 연산하게 되어 총 13 클록 후에 SAD 값이 출력된다.
이렇게 비트를 순차적으로 연산하게 되어 총 13 클록 후에 SAD 값이 출력된다. 1개의 SAD 계산기는 16개의 AD 값과 1개의 SAD 값을 만들도록 실험하였다. 따라서 16×16의 마크로 블록에 대하여 제안된 구조는 16개의 SAD 값들을 동시에 출력하도록 실험하였다.
41개의 Combination 블록 출력 값은 다음 새로운 값이 입력 될 때까지 레지스터에 저장하였다. 이와 같이 계산된 새로운 41개의 Combination 블록 출력 값이 최소값 계산기 블록으로 입력되면 기존에 저장되어 있던 값과 비교하여 더 작은 값을 다시 저장하도록 하였다. 이와 같은 연산을 반복하여 가장 작은 출력 값의 위치벡터인 8 비트의 움직임 벡터 값을 출력하게 된다.

대상 데이터

우리가 제안하는 핵심 하드웨어는 첫 번째 블록인 4×4 SAD 계산기의 저전력 구조이다. 즉, 4×4 SAD 계산을 위한 저전력 구조를 제안하며, 이를 16개 사용하여 4×4 SAD 계산기 구조를 설계하였다.
두 번째 파트인 Combination 블록에서는 4×4 SAD들을 조합하여 더 큰 크기의 SAD들을 계산한다. 즉, H.264에서 필요한 41가지의 SAD들을 만들어낸다. 마지막으로 세 번째 파트인 최소값 계산기에서는 각각의 블록크기에 대한 최소 SAD를 비교하여 탐색영역 내의 가장 작은 값을 골라내는 작업을 수행한다.
제안한 구조는 그림 7의 최소값 계산기를 41개 사용한다. 그림 7에서 Reg.
실험에 사용된 To이은 Xilinx ISE 7.1i이고, 입력샘플로 그림 8과 같은 순차적인 2프레임의 QCIF급 "foreman” 영상을 사용하였다. 움직임 벡터의 범위는 (T6, -16广 (15, 15)를 사용하였다.
1개의 SAD 계산기는 16개의 AD 값과 1개의 SAD 값을 만들도록 실험하였다. 따라서 16×16의 마크로 블록에 대하여 제안된 구조는 16개의 SAD 값들을 동시에 출력하도록 실험하였다. 16개의 13 비트 정세 도의 SAD 값들을 Combination 블록의 입력으로 사용하였다.
따라서 16×16의 마크로 블록에 대하여 제안된 구조는 16개의 SAD 값들을 동시에 출력하도록 실험하였다. 16개의 13 비트 정세 도의 SAD 값들을 Combination 블록의 입력으로 사용하였다. 즉, Combination 블록으로 입력된 16개의 4×4 SAD 값들을 조합하여 4x8, 8x4, 8×8, 16x8, 8x16,16×16 등의 크기의 총 41 개의 SAD 값을 만들어 냈다.
16개의 13 비트 정세 도의 SAD 값들을 Combination 블록의 입력으로 사용하였다. 즉, Combination 블록으로 입력된 16개의 4×4 SAD 값들을 조합하여 4x8, 8x4, 8×8, 16x8, 8x16,16×16 등의 크기의 총 41 개의 SAD 값을 만들어 냈다. 41개의 Combination 블록 출력 값은 다음 새로운 값이 입력 될 때까지 레지스터에 저장하였다.

성능/효과

표 2 에서 보듯이 기존 구조와 비교하여 전가산기의 수가 3기개에서 138개로 감소되었으며, 반가산기의 수는 47개에서 48개로 1개가 증가하였다. 위의 표에서 상대 면적의 계산은 반가산기 1개의 면적을 1로 정의하고 전가산기의 상대면적은 반가산기의 3배로 정의하였다.
그 결과 총상대면적은 기존구조가 1160이고 제안구조가 462로 예상된다. 따라서 제안 구조의 4×4 SAD 연산기와 기존 구조를 비교하였을 때 60.2%의 면적 감소가 예상된다.
표 3에서 보듯이 기존구조의 게이트 카운트는 8, 011 이며, 제안구조는 4, 912로서 39%의 게이트 카운트 감소를 달성하였다.
제안 구조의 SAD 계산기는 기존구조에 비해 39%의 면적감소 효과를 얻을 수 있었고, 전체 SAD 프로세서 구조는 기조 구조와 비교하여 32%의 게이트 카운트 감소 효과를 달성하였다.
264 움직임 주정 알고리즘에 사용되는 SAD 연산을 위한 단순화된 구조를 제안하였다. 제안된 SAD 프로세서는 SAD 계산기, Combinator, 최소값 계산기로 구성하였으며 특히 분산 연산을 사용하여 SAD 계산기의 게이트 카운트를 줄일 수 있었다. 제안된 SAD 프로세서 구조에 대한 FPGA 실험 결과 게이트 카운트를 32% 감소시킬 수 있었다.
제안된 SAD 프로세서는 SAD 계산기, Combinator, 최소값 계산기로 구성하였으며 특히 분산 연산을 사용하여 SAD 계산기의 게이트 카운트를 줄일 수 있었다. 제안된 SAD 프로세서 구조에 대한 FPGA 실험 결과 게이트 카운트를 32% 감소시킬 수 있었다. 따라서 제안된 움직임 추정용 SAD 프로세서는 구현 면적을 중요한 변수로 설계하는 경우의 H.

후속연구

제안된 SAD 프로세서 구조에 대한 FPGA 실험 결과 게이트 카운트를 32% 감소시킬 수 있었다. 따라서 제안된 움직임 추정용 SAD 프로세서는 구현 면적을 중요한 변수로 설계하는 경우의 H.264 칩에서 널리 사용될 수 있을 것이다.

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상세보기
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상세보기
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Chen-Fu Lin, Jin-Jang Leou, 'Adaptive Fast Full Search Motion Estimation Algorithm for H.264,' IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp.1493-1496, May 2005

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