面向移动终端的高能效视频显示处理算法与VLSI架构

As mobile device gradually becomes the major carrier for multimedia communication and interaction, it is required for advanced video display processing technique to improve visual quality and bring user better visual experience. Nevertheless, advanced video display processing belongs to data and computational intensive application, it improves visual quality at the cost of considerable energy consumption. Therefore, energy consumption becomes the major bottleneck when applying advanced video display processing technique in mobile device system. To address the technical challenge, this project aims to exploit the algorithm and VLSI architecture design for energy-efficient video display processing. (1) To exploit the visual quality and energy efficiency co-simulation method for video display processing system, and construct the supporting platform for energy-efficient algorithm and architecture design; (2) To propose content-adaptive local dimming algorithm and architecture to reduce the energy consumption of display panel; (3) To propose DVFS-compatible and high throughput display frame compression algorithm and architecture to reduce the energy consumption of frame buffer access; (4) To propose video display processing algorithm and architecture based on approximate computing technique to trade-off computational accuracy loss for energy efficiency improvement. The research work in this project is of great importance to both academic research and industrial application.

随着移动终端逐渐成为多媒体信息传播与交互的主要载体，移动终端系统迫切需要高级视频显示处理技术以提高视觉质量，带给用户更佳的视觉体验。然而，高级视频显示处理属于数据和计算密集型应用，在提高视觉质量的同时，必然导致大量的能量消耗。因此，高级视频显示处理技术在移动终端系统中应用的主要瓶颈在于能耗。本课题以移动终端系统的技术需求为背景，以提高视觉质量和能耗效率为目标，研究高能效的视频显示处理算法与VLSI架构设计：提出视频显示处理系统的视觉质量与能耗协同仿真方法，构建高能效算法与架构设计的支撑平台；提出内容自适应的局部背光调节算法与架构，降低显示面板能耗；提出支持动态电压频率调节的高吞吐显示帧压缩算法与架构，降低帧存访问能耗；提出基于近似计算的视频显示处理算法与架构，将计算准确度损失转换为能耗效率的提升。本研究对移动终端显示系统的高画质与低功耗设计具有重要的研究意义和应用价值。

视频显示处理是连接视频源与显示终端的桥梁，负责将任意来源、任意格式的视频源以最佳的视觉质量呈现在任意的显示终端上，在多媒体、安防监控、高级辅助驾驶等各类系统中获得了广泛的应用。当前，移动终端显示设备与视频源之间存在巨大的“鸿沟”，需要复杂度较高的高级视频显示处理算法提高视频源的质量，导致大量的计算与存储资源耗费。 此外，视频显示处理器通常由一个算法链构成，需要包括一系列校正处理、增强处理以及格式转换算法。因此，对于计算资源和能耗极为敏感的移动终端，如何兼顾显示质量和硬件效率成为视频显示处理系统的设计关键。.本项目通过对显示效果、计算效率、硬件资源和实时性进行多目标联合优化，实现了多种面向移动终端的高能效视频显示处理算法及其VLSI架构。本项目具体的研究包括动态局部背光调节与画质补偿相结合的内容自适应高效算法及其VLSI架构电路、高吞吐率显示帧压缩的算法与VLSI架构电路、高效高质量运动补偿帧频提升算法及其VLSI架构和面向图像视频显示处理的高效高质量深度神经网络轻量化模型等。实验结果表明，本项目的研究通过软硬件协同设计，面向移动设备实现了视频显示处理算法质量与硬件效率的大幅提升，具有重要的应用价值。