基于FPGA的视频编解码关键算法研究与设计

发布时间：2017-10-03 03:01

  本文关键词：基于FPGA的视频编解码关键算法研究与设计

  更多相关文章： H.264/AVC H.265/HEVC FPGA 帧内预测 IQIT 去方块滤波

【摘要】：H.264/AVC作为一种成熟的视频压缩编码标准现已广泛应用于视频监控、数字电视、高清摄像等领域。H.264/AVC具有很高的压缩率和良好的网络亲和性,但在获得高压缩率的同时计算复杂度进一步增加。H.264/AVC标准的计算复杂度为前一代视频编码标准H.263的2.5倍,这将更加考验处理器的计算能力。新一代视频编码标准H.265/HEVC与H.264/AVC相比具有更高的压缩率,需要极强的计算能力才能完成视频的实时编解码。鉴于FPGA处理速度快、可并行处理、可灵活调取IP核等特点,本文基于FPGA对H.264/AVC解码器和H.265/HEVC编码器中的关键算法进行了研究与设计。本文对H.264/AVC标准的原理进行说明,重点对H.264/AVC解码端的帧内预测算法、IQIT算法和去方块滤波算法进行分析。对H.264/AVC帧内预测算法加以优化,采用自适应的流水线进行处理,利用4路并行的PE在1个周期内计算出1列4像素的预测值；为IQIT算法设计一种可重配的IDCT运算单元和反量化运算单元；为去方块滤波算法提出了一种改进的滤波顺序,极大增强了滤波时的数据复用,采用流水线的结构实现了去方块滤波的运算过程。通过提取官方编码模型JM中的关键变量,与设计的H.264/AVC帧内预测算法、IQIT算法及去方块滤波算法硬件的RTL仿真结果进行比对验证,证明了算法硬件设计的正确性。基于Altera公司EP4CE115F29C7开发平台实现了硬件电路设计,结果表明帧内预测硬件电路、IQIT硬件电路、去方块滤波硬件电路所支持的分辨率及帧率分别为1920×1080@42fps、1920×1080@60fps、 1920×1080@60fps,获得了很好的实时性能。介绍了H.265/HEVC的编码框架,对帧内预测算法进行详细分析。采用64路并行PE配合控制单元及像素存取完成LCU块帧内预测的模式选择。按从小块到大块的顺序进行全模式遍历,避免了不同大小块给硬件设计带来的困难。采用16路并行处理的方式在1个周期内得到1个4×4块的预测结果。完成H.265/HEVC帧内预测算法的硬件设计并提出完备的存储设计,全新的像素更新机制可节约存储器数目。
【关键词】：H.264/AVC H.265/HEVC FPGA 帧内预测 IQIT 去方块滤波
【学位授予单位】：西安邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TN919.8
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第1章 绪论7-11
• 1.1 课题研究背景及意义7-8
• 1.2 视频编码标准的发展8-9
• 1.3 视频编解码器的国内外研究现状9
• 1.4 论文的主要工作与结构安排9-11
• 第2章 视频压缩编码标准11-15
• 2.1 H.264/AVC编解码器原理11
• 2.2 H.265/HEVC编码器原理及标准新特性11-13
• 2.2.1 编码器原理12
• 2.2.2 标准新特性12-13
• 2.3 H.264/AVC标准与H.265/HEVC标准对比分析13-14
• 2.3.1 算法比较13-14
• 2.3.2 划分方式比较14
• 2.4 本章小结14-15
• 第3章 H.264/AVC解码器关键算法设计15-35
• 3.1 现有设计分析15-16
• 3.2 帧内预测算法设计16-23
• 3.2.1 帧内预测算法分析16-18
• 3.2.2 plane模式的算法优化18-19
• 3.2.3 自适应流水线设计19-20
• 3.2.4 帧内预测算法的硬件设计20-23
• 3.3 IQIT算法设计23-27
• 3.3.1 IQIT算法分析23-26
• 3.3.2 IQIT算法的硬件设计26-27
• 3.4 去方块滤波算法设计27-33
• 3.4.1 去方块滤波算法分析28-29
• 3.4.2 滤波顺序的选择29-30
• 3.4.3 去方块滤波算法的硬件设计30-33
• 3.5 本章小结33-35
• 第4章 H.265/HEVC帧内预测算法分析35-43
• 4.1 帧内预测模式详解35-37
• 4.2 帧内预测过程37-41
• 4.3 帧内预测新特性41-42
• 4.3.1 模式对称性41
• 4.3.2 预测值重用41-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第5章 H.265/HEVC帧内预测设计43-53
• 5.1 现有设计分析43-44
• 5.2 帧内预测模式选择硬件设计44-47
• 5.2.1 控制模块的设计45-46
• 5.2.2 计算模块的设计46-47
• 5.3 帧内预测算法硬件设计47-50
• 5.3.1 参考像素滤波模块的设计48-49
• 5.3.2 参考像素寄存器管理模块的设计49
• 5.3.3 帧内预测计算模块的设计49-50
• 5.4 存储电路设计50-52
• 5.4.1 存储LCU最优划分及最优模式RAM的设计50
• 5.4.2 存储预测结果RAM的设计50
• 5.4.3 参考像素RAM的设计50-52
• 5.5 本章小结52-53
• 第6章 关键算法功能验证与性能分析53-61
• 6.1 H.264/AVC编解码器的测试模型53-54
• 6.2 H.264/AVC解码器关键算法设计的功能验证54-58
• 6.2.1 帧内预测算法的功能验证54-56
• 6.2.2 IQIT算法的功能验证56-57
• 6.2.3 去方块滤波算法的功能验证57-58
• 6.3 逻辑综合结果58-59
• 6.4 性能分析59-60
• 6.5 本章小结60-61
• 第7章 结论与展望61-63
• 7.1 结论61
• 7.2 展望61-63
• 参考文献63-65
• 攻读学位期间取得的研究成果65-67
• 致谢67-68

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