Brevet FR2942331A1 — publié le 20100820

DEMANDE DE BREVET B08-0896FR - ODE/EVH Société par Actions Simplifiée dite : STMICROELECTRONICS (GRENOBLE 2) SAS Système et procédé de traitement de données numériques Invention de : Xavier CAUCHY Anthony PHILIPPE Isabelle FAUGERAS Didier SIRON Système et procédé de traitement de données numériques L'invention concerne, de manière générale, le traitement de données numériques et se rapporte plus particulièrement au traitement de pixels d'images vidéo. Mais on ne sort pas du cadre de l'invention lorsqu'un tel système et un tel procédé sont destinés au traitement de données numériques d'autre nature, par exemple de données audio. Dans le cadre du traitement de pixels d'images vidéo, il arrive souvent que les données à traiter soient stockées dans des mémoires tampon puis soient récupérées pour subir des traitements numériques successifs. Tel est en particulier le cas de la réduction de bruit temporel qui est utilisée pour réduire le bruit récursif temporel dans un signal vidéo bruité. On a représenté sur la figure 1 un organigramme d'un tel procédé de réduction de bruit temporel. Cet algorithme est essentiellement basé sur une interpolation spatiale et sur une interpolation temporelle des pixels. Un détecteur de mouvement est utilisé pour décider si l'interpolation spatiale ou l'interpolation temporelle doit être favorisée. Le résultat final est obtenu en pondérant les interpolations spatiales et temporelles en fonction du mouvement détecté. Sur cette figure 1, le préfixe Y désigne la composante de luminance et les préfixes U et V désignent les composantes de chrominance d'une trame, le préfixe C désigne une trame courante, le préfixe P désigne une trame précédente, le préfixe PP désigne une trame immédiatement antérieure à ladite trame précédente, le suffixe � n � désigne une ligne � n � d'une trame, et le suffixe � n+l � désigne une ligne suivante Les composantes de luminance PY et PPY et de chrominance CU, PPU, CV et PPV d'une trame précédente P et d'une trame antérieure PP sont présentées en entrée d'un détecteur de mouvement 1. Plus particulièrement, la composante de luminance PYä+id'une ligne suivante d'une trame antérieure P, la composante de luminance PPYn d'une ligne n d'une trame antérieure PP, obtenue au moyen d'une ligne à retard, telle que 2, ainsi que la composante de luminance PPYä+i d'une ligne suivante d'une trame PP sont présentées en entrée du détecteur de mouvement 1. En ce qui concerne les composantes de chrominance U et V, les composantes de chrominance d'une ligne n et d'une ligne suivante n+l d'une trame courante C et d'une trame antérieure PP, c'est-à-dire les composantes CU,,, CUä+i, PPUn, PPUä+i, CV,,, CVä+i, PPVä et PPVä+i sont également présentées en entrée du détecteur de mouvement 1. La valeur du mouvement Mä+i, issue du détecteur de mouvement 1, ainsi que les valeurs de mouvement antérieures Mn et obtenues au moyen de lignes à retard, telles que 3, sont présentées en entrée d'un filtre 4 délivrant un coefficient de pondération TSW. Par ailleurs, le signal de luminance CY d'une trame en cours, d'une ligne courante n+2 et de lignes antérieures n+l et n, issues de lignes à retard correspondantes, telles que 5, fait l'objet d'un filtrage spatial au moyen d'un filtre 6 correspondant, de manière à obtenir une valeur de la luminance sur une fenêtre glissante. Une ligne à retard 7 permet de disposer, en sortie du filtrage spatial, des composantes YSpatä+i et YSpatä sur deux lignes consécutives Par ailleurs, les valeurs de luminance et de chrominance d'une trame en cours C et d'une trame antérieure PP sont présentées en entrée de filtres temporels respectifs, tels que 8. Les valeurs filtrées des composantes de luminance et de chrominance YTemp,,, UTempä et VTemppä sont présentées, avec la composante filtrée YSpatä et avec le coefficient de pondération TSW, à un étage mélangeur 9 pour fournir, en sortie, des composantes de luminance et de chrominance Yout,,, Uoutä et Voutä pondérées selon le mouvement détecté. Comme on le conçoit, de tels traitements sont relativement lourds à mettre en oeuvre. Tel est également le cas des divers traitements numériques qui peuvent être appliqués à des signaux vidéo tels que les traitements de séparation de luminance et de chrominance, les traitements de changement de résolution ou � rescaling �, les traitements de désentrelacement, les traitements d'amélioration d'image subjectifs, tels que les traitements connus sous le terme LTI/CTI, DC...les traitements de gestion de couleurs. Comme décrit précédemment en ce qui concerne la réduction du bruit récursif temporal, les divers traitements s'appliquent généralement sur une fenêtre glissante qui prend en compte un ensemble de pixels voisins. Ces traitements mettent donc en oeuvre des calculs itératifs et impliquent généralement l'utilisation de mémoires tampon pour conserver les composantes des lignes voisines, voire des trames précédentes. Diverses solutions sont à ce jour utilisées pour mettre en oeuvre des traitements du type précité sur des signaux numériques vidéo. I1 existe tout d'abord des solutions purement matérielles. De telles solutions sont avantageuses dans la mesure où elles permettent d'obtenir de bonnes performances. Mais on conçoit que l'utilisation de moyens matériels rend le traitement non flexible et difficile à faire évoluer. En outre, l'utilisation de moyens matériels nécessite l'utilisation de codages bas niveau, tels que les codages connus sous le terme de RTL (� Register Transfer Level �, en langue anglaise) qui sont relativement lourds à utiliser. Enfin, l'utilisation de moyens matériels nécessite l'utilisation d'une logique de commande câblée relativement difficile à concevoir et susceptible d'engendrer des erreurs. I1 existe, à côté des solutions matérielles, des solutions purement logicielles. De telles solutions sont relativement souples mais engendrent des coûts de réalisation prohibitifs. I1 existe enfin des solutions qui consistent à combiner les solutions matérielles et les solutions logicielles. De telles solutions consistent essentiellement à prévoir des coprocesseurs combinés au moyen d'une architecture câblée. De tels coprocesseurs sont généralement complexes et incorporent chacun une logique de commande mettant en oeuvre un accès direct à la mémoire (DMA) et présentent les mêmes inconvénients que ceux des solutions purement matérielles. Ils sont en outre difficiles à commander. Leur modélisation est également difficile à réaliser de sorte que, à la conception, leur performance est relativement difficile à prédire. Au vu de ce qui précède, selon un premier aspect, il est proposé un système de traitement de données numériques comprenant : - un ensemble d'unités de traitement esclave destinées à l'exécution de fonctions élémentaires ; - un module d'interconnexion destiné à communiquer avec un réseau de transfert de données et à transférer des données entre les unités de traitement, d'une part, et le réseau de transfert, d'autre part ; et - une unité de commande du module d'interconnexion pour commander le transfert des données. Selon une autre caractéristique de ce système, l'ensemble des unités de traitement comprend un ensemble d'unités programmables et un ensemble d'unités matérielles non programmables. Dans un mode de réalisation, le système comporte en outre une mémoire partagée associée aux unités de traitement programmables. En variante, la mémoire partagée est une mémoire interne aux unités de traitement programmables. Selon encore une autre caractéristique du système de traitement de données numériques, le module d'interconnexion comprend des moyens pour désactiver les unités de traitement non sollicités. Par exemple, le module d'interconnexion comprend des moyens pour insérer dans un signal transmis vers une unité de traitement un signal d'activité pour une transaction en cours, le système comportant des moyens pour désactiver les unités de traitement en l'absence du signal d'activité. Dans un mode de réalisation, l'ensemble d'unités de traitement comprend des groupes d'unités de traitement esclaves à action non simultanée, le système comportant alors des moyens de multiplexage des unités de traitement esclaves desdits groupes. Par exemple, le module d'interconnexion comprend des moyens pour insérer, dans un signal transmis vers chaque groupe d'unités de traitement, un signal de configuration dudit groupe. Le système peut en outre comporter plusieurs groupes en parallèle d'ensembles d'unités de traitement associés chacune à une mémoire locale et à un module local d'interconnexion. Dans un mode de mise en oeuvre, les données sont des données multimédias. Selon un autre aspect, il est également proposé un décodeur de signal de télévision satellite ou par câble, comprenant un système tel que défini ci-dessus. I1 est encore proposé, selon un autre aspect, un poste de télévision comprenant un système tel que défini ci-dessus. I1 est enfin proposé, selon la présente description, un procédé de traitement de données numériques, comprenant les étapes de transfert des données à traiter entre un réseau de transfert de données et un ensemble d'unités de traitement assurant l'exécution de fonctions élémentaires, sous le contrôle d'une unité de commande. D'autres buts, caractéristiques et avantage d'un tel système et d'un tel procédé apparaîtront à l'examen de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre l'architecture générale d'un exemple de procédé conventionnel de réduction de bruit temporel mis en oeuvre au sein d'un processeur vidéo ; - la figure 2 illustre l'architecture générale d'un système de traitement numérique de données conforme à l'invention ; - la figure 3 illustre de manière détaillée l'architecture du système de la figure 2 ; - la figure 4 montre un exemple de pilotage des unités de traitement esclaves ; - la figures 5 illustre un exemple d'association d'unités de traitement esclaves ; - la figure 6 montre une variante de réalisation d'un système de traitement de données numériques conforme à l'invention. On va décrire, en référence à la figure 2, l'architecture générale d'un exemple de réalisation d'un système de traitement de données numériques. Dans l'exemple de réalisation envisagé, ce système est destiné au traitement de pixels de données vidéo. Mais, comme indiqué précédemment, on ne sort pas du cadre de la présente description lorsqu'un tel système est destiné au traitement de données d'autre nature, telles que des données audio. Dans ce cas, les traitements mis en oeuvre s'appliquent sur des échantillons audio aux lieu et place de pixels de trames vidéo. Comme on le voit, dans l'exemple de réalisation représenté, le système est destiné à communiquer avec un réseau de transfert de données de type � système sur puce � ou SoC (� System-on-Chip �, en langue anglaise). Les traitements numériques mis en oeuvre au sein d'un tel système peuvent être de diverses natures. Ils peuvent, par exemple, comme expliqué précédemment, consister à mettre en oeuvre une réduction de bruit temporel, un filtrage 3D pour réaliser une séparation luminance/chrominance, un changement de résolution ou � rescaling �, un désentrelacement, un traitement d'amélioration d'image subjectif, de type LTI/CTI, DCI, ..., un algorithme de gestion de couleurs, ..., ou, de manière générale, tout type de traitement vidéo s'appliquant à des pixels d'une image vidéo. Comme on le voit sur la figure 2, l'architecture du système de traitement est fondée sur une séparation des moyens de commande qui servent au transfert de données reçues en provenance du réseau de transfert SoCet des moyens de traitement proprement dits, qui assurent le traitement des pixels reçus. Le système comporte ainsi essentiellement : un module d'interconnexion 10 qui communique avec le réseau SoC par l'intermédiaire d'interfaces spécifiques 12 ; un ensemble d'unités de traitement esclaves, telles que 14 et 16, qui assurent chacune l'exécution de fonctions élémentaires sur un flux de pixels ; une unité de commande 18 qui assure la commande du transfert des données entre le réseau SoC, d'une part, et les unités de traitement 14 et 16, d'autre part ; et une mémoire embarquée 20 commune pour l'ensemble des unités de traitement. Ainsi, le module d'interconnexion 10 ainsi que le module de commande 18 se chargent essentiellement du transfert des données vers les unités de traitement et de l'adressage des données dans la mémoire 20. Par exemple, le module d'interconnexion 10 est réalisé autour d'un contrôleur de DMA optimisé pour une application vidéo et comprenant toutes les interfaces appropriées pour communiquer avec les unités de traitement 14 et 16. En d'autres termes, le module d'interconnexion 10 constitue un moteur de transfert de données dont la fonction est essentiellement de transférer des pixels vers les unités de traitement et de recevoir des pixels en provenance de ces unités de traitement et ce, de préférence, avec une intervention minimale de l'unité de commande 18. Les unités de traitement comportent, d'une part, un ensemble d'unités de traitement à base de moyens matériels essentiellement non programmables, référencées 14-a, 14-b, 14-c, ...14-n et un ensemble d'unités de traitement programmables, référencées 16. En ce qui concerne les unités de commande non programmables 14-a, ..., 14-n, celles-ci effectuent l'essentiel des traitements intensifs sur les flux de pixels. Elles sont pour l'essentiel dépourvues de logique de commande câblée et réalisent une suite d'opérations en cascade sur les pixels incidents, telles que filtrage, addition, détection de contours, ... Les unités de traitement programmables 16 réalisent des traitements plus occasionnels. Elles sont destinées à être utilisées en complément des unités de traitement matériel pour procurer une flexibilité au système en fournissant des fonctions additionnelles. Elles sont par exemple destinées à être utilisées pour mettre en oeuvre des tâches particulières et fines, qui ne peuvent être réalisées par les unités de traitement matériel 14. Dans le mode de réalisation décrit sur cette figure 2, le transfert des données vers et en provenance des unités de traitement programmables s'effectue par l'intermédiaire de la mémoire commune 20. Cette mémoire 20 est réalisée sous la forme d'une mémoire RAM. Elle intègre toutes les lignes à retard nécessaires pour mettre en oeuvre les traitements vidéo et, en particulier, mettre en oeuvre les traitements sur fenêtre glissante. Ainsi, outre le transfert des pixels vers les unités de traitement programmables, cette mémoire se charge des traitements mettant en oeuvre des lignes à retard. En se référant à la figure 3, les transfert des données entre le module d'interconnexion 10 et les unités de traitement 14a, ..., 14-n s'effectue sous la forme de files de transfert de données, soit du module 10 vers les unités de traitement 14 � WRQueues �, soit des unités de traitement vers le module 10 � RDQueues �. Mais on notera que, en ce qui concerne le traitement de signaux vidéo, les traitements mis en oeuvre au sein des unités de traitement, et en particulier au sein des unités de traitement matériel, sont plus rapides que la fréquence des signaux vidéo eux-mêmes, même en haute définition. I1 a en effet été constaté qu'une fréquence de 75 Mhz était suffisante pour le traitement d'une ligne d'une trame de vidéo HD. Les unités de traitement, quant à elles, sont en mesure de traiter une fréquence de l'ordre de 350 Mhz. C'est la raison pour laquelle, avantageusement, les unités de traitement sont utilisées pour réaliser plusieurs calculs en même temps et sont en mesure de recevoir plusieurs files de données en parallèle WrQueues et RDQueues. Elles peuvent également se charger de traiter en parallèle plusieurs flux de pixels pour délivrer, en sortie, un flux de pixels traités Dans un mode de réalisation, le transfert de données entre le module d'interconnexion 10, d'une part, et les unités de traitement 14a,..., 14n, d'autre part, s'effectue selon un protocole de type � Hand Shake �, c'est-à-dire un protocole selon lequel un émetteur s'assure qu'un récepteur est en état de recevoir des données avant de lui transférer. Un tel protocole est basé sur l'émission préalable d'une requête et sur la réception d'un signal de validation lors de transmission des données pour indiquer à l'émetteur de la requête que les données transmises sont valides. Ainsi, pour la transmission de pixels vers les unités de traitement, le module d'interconnexion émet un signal de validation à destination d'une unité de traitement après réception, en provenance de cette dernière, d'une requête. Au contraire, pour récupérer des pixels en provenance d'une unité de traitement, le module d'interconnexion 10 émet une requête vers cette unité puis récupère les pixels, les données reçues étant considérées comme valides dès que le signal valide est reçu. Par ailleurs, outre les signaux de ce protocole � Hand shake �, le module d'interconnexion transfère des signaux additionnels � ActiveFlag � et � PixelFlag � au cours du transfert des pixels pour, en particulier, gérer l'activation des unités de traitement, d'une part, et configurer leur mode de fonctionnement, d'autre part. En premier lieu, le signal � ActiveFlag � est utilisé pour désactiver les unités de traitement qui ne sont pas utilisées. Ce drapeau est transmis avec le ou les premiers pixels transmis. Etant donné que les unités de traitement fonctionnent sous l'unique supervision du module d'interconnexion 10, dans le cas où une unité de traitement ne reçoit pas un tel drapeau, elle n'est pas utilisée et peut dès lors être inactivée. Sur la figure 4 on a représenté un exemple de mise en oeuvre dans lequel une unité de traitement reçoit deux flux de pixels pour délivrer en sortie un flux de pixels traités. Par exemple, le module d'interconnexion 10 transfère les signaux de lecture et d'écriture WRQO, WRQ1 et RDQO, en l'espèce les signaux WRQOreq, WRQlreq et RDQOreq, en ce qui concerne la requête de transfert de pixels, les signaux de pixels, ici WRQOdata, WRQldata et RDQOdata, et les signaux de validation, ici WRQO.valid, WRQ1.valid et RDQO.valid. Outre ces signaux, le module d'interconnexion 10 transmet les signaux d'activation pour chaque file de données, à savoir les signaux WRQO.ActiveFlag , WRQ1.ActiveFlag et RDQO.ActiveFlag , lesquels sont utilisés pour l'élaboration d'un signal d'horloge interne � InternalProcessingClock � pour le processeur interne 22 de l'unité de traitement. Par exemple, une fonction logique OU (OR) est réalisée entre les drapeaux WRQO.ActiveFlag , WRQ1.ActiveFlag et RDQO.ActiveFlag , et une fonction logique ET (AND) est réalisée entre la sortie de la fonction OU et un signal d'horloge externe � ProcessingClock � pour élaborer le signal d'horloge interne � InternalProcessingClock �. Par ailleurs, dans le but d'améliorer le nombre d'interfaces physiques nécessaires entre le module d'interconnexion et les unités de traitement, les unités de traitement qui ne travaillent pas de manière simultanée sont regroupées. Comme on le voit sur la figure 5, on peut alors configurer des groupes, tels que G, d'unités de traitement, qui sont elles-mêmes susceptibles d'échanger une ou plusieurs files de données. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 5, le groupe d'unités de traitement comporte un nombre quelconque n d'unités de traitement PUO,...,PUn. Dans ce cas, outre les drapeaux � ActiveFlag � WRQO.ActiveFlag ,..., WRQN.ActiveFlag , et RDQO.ActiveFlag ,..., RDQN.ActiveFlag destinés à l'élaboration du signal d'horloge interne � InternalProcessingClock �, comme mentionné précédemment, le flux de données échangées avec les unités de traitement incorpore un paramètre de configuration PUID de chaque unité de traitement. Ainsi, par exemple, le signal de configuration PUID peut être positionné à 1 pour configurer le groupe d'unités de traitement en tant qu'additionneur ou à 1 pour configurer le groupe d'unités de traitement en tant que multiplicateur. Comme illustré sur la figure 5, le groupe d'unités de traitement sélectionne de manière arbitraire le signal de configuration porté par l'une des files qu'il reçoit, par exemple la file WRQO. Chaque unité de traitement PUO, PU1, ...PUn est associée, en entrée et en sortie, à un multiplexeurs Ml, ..., Mn, lui-même commandé par le signal de configuration � PUID � élaboré à partir d'un paramètre WRQO.PUID transféré avec les pixels afin de commander, conjointement avec des registres de commande telles que 23 des unités de traitement, le mode de fonctionnement du groupe d'unités de traitement. On notera qu'il est également possible de regrouper les unités de traitement afin de simplifier la programmation, d'obtenir un gain en puissance. Par exemple, les ressources spécifiques pour un algorithme donné sont regroupées. On peut ainsi, comme illustré à la figure 3, associer, en parallèle, plusieurs unités de traitement qui sont associées elles-mêmes à des modules d'interconnexion locaux 26 et à une mémoire locale 25. On notera que dans les divers modes de réalisation envisagés, le transfert de données du module d'interconnexion vers les unités de traitement programmables 16 s'effectue par l'intermédiaire de la mémoire RAM embarquée. I1 est également possible, en variante, comme visible sur la figure 6, au lieu d'utiliser la mémoire partagée, d'utiliser une mémoire interne à chaque unité de traitement 16. I1 est également possible, en variante, de transférer directement les données vers les unités de traitement programmables en utilisant un protocole de transfert de données fondé sur l'utilisation de requêtes et de signaux de validation, similaire au protocole utilisé pour le transfert des données du module d'interconnexion vers les unités de traitement matérielles. Un tel mode de réalisation est intéressant dans la mesure où il permet d'obtenir une homogénéité entre les unités de traitement matérielles et les unités de traitement programmables, et d'améliorer la synchronisation des unités de traitement programmables dans la mesure où le transfert des données s'effectue directement, sans passer par la mémoire RAM. On notera cependant que cette variante présente un inconvénient relatif au fait que la souplesse est réduite dans la mesure où le flux de données transmis vers les unités de traitement 16 est alors fixe. REVENDICATIONS1. Système de traitement de données numériques, caractérisé en ce qu'il comprend : - un ensemble d'unités de traitement esclaves (14, 16) pour l'exécution de fonctions élémentaires ; - un module d'interconnexion (10) qui est destiné à communiquer avec un réseau de transfert de données (SoC) et à transférer des données entre les unités de traitement, d'une part, et le réseau de transfert de données, d'autre part ; et - une unité (18) de commande du module d'interconnexion pour commander ledit transfert de données. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'unités de traitement comprend un ensemble d'unités de traitement programmables (16) et un ensemble d'unités de traitement matérielles non programmables (14). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire partagée (20) associée aux unités de traitement programmables. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mémoire partagée est une mémoire interne aux unités de traitement (16). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le module d'interconnexion comprend des moyens pour désactiver les unités de traitement esclaves non sollicitées. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le module d'interconnexion comprend des moyens pour insérer dans un signal transmis vers une unité de traitement esclave un signal d'activité (ActiveFlag) pour une transaction en cours, et en ce qu'il comprend des moyens pour désactiver les unités de traitement en l'absence du signal d'activité. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble d'unités de traitement esclavescomprend des groupes d'étages esclaves (G) à action non simultanée, et en ce qu'il comporte des moyens de multiplexage des unités de traitement esclaves desdits groupes. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le module d'interconnexion comprend des moyens pour insérer, dans un signal transmis vers chaque unité de traitement esclave, un signal de configuration (PUID) dudit groupe. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes en parallèle d'ensembles d'unités de traitement esclaves associés chacun à une mémoire locale (25)et à un module d'interconnexion local (26). Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, en ce que les données sont des données multimédias. Décodeur de signaux de télévision satellite, caractérisé en un système selon l'une quelconque des caractérisé en ce qu'il comporte un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 13. Procédé de traitement de signaux numériques, caractérisé 20 en ce qu'il comporte les étapes de transfert de données à traiter entre un réseau de transfert de données (SoC) et un ensemble d'unités de traitement esclaves (14, 16) assurant chacune l'exécution de fonctions élémentaires sous le contrôle d'unités de commande. ce 10. caractérisé 11. qu'il comporte revendications 1 à 10. 12. Poste de télévision,