H.264整数运动估计快速算法的电路设计

发布时间：2017-10-26 01:08

  本文关键词：H.264整数运动估计快速算法的电路设计

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【摘要】：整数运动估计(Integer Motion Estimation, IME) 是 H.264/AVC编码标准的核心部分,其设计直接关系到帧间预测的编码性能。但IME运算量大、搜索过程冗长,已成为实时编码的瓶颈。传统的硬件电路架构实现中,很难采用合适的快速算法来减少计算量。因此,本文设计了一种亚采样局部全搜索算法DLFS (Down-sample Local Full Search, DLFS),并在高性能的硬件电路中实现了该算法。本文基于H.264硬件IP的四级流水线架构,设计了IME的快速算法及其硬件实现方案。在IME全搜索算法和经典快速搜索算法的基础上,本文分为粗细两步,在不同的搜索窗范围内,进行蛇形搜索。首先粗略搜索阶段,在大的搜索窗范围内,针对16×16模式进行亚采样搜索,比较并保留最佳的3个候选点；随后进行精细搜索,在3个候选点的基础上展开新的搜索窗,对7种分割模式进行全搜索。在硬件电路实现时,为保证处理速度,本文采用了256个PE单元进行并行处理,且粗细两部搜索复用了同一块计算单元。在硬件电路设计完成之后,结合实验室现有IP,搭建了编码器SoC级的仿真环境,完成了IME快速算法的功能验证和系统级验证。本文针对5种不同分辨率的视频序列进行编码测试,设计的IME电路模块在图像质量损失不超过0.15dB的情况下,搜索单个宏块需要的时间为467个周期。IME模块可以在50MHz的工作频率下,满足720P 30fps的实时编码需求。在SMIC180nm工艺下,综合面积为9.78万逻辑门。
【关键词】：视频编码 H.264 整数运动估计 VLSI设计
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.81
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 论文选题背景和研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 研究内容和设计目标12-13
• 1.3.1 研究内容12
• 1.3.2 设计目标12-13
• 1.4 论文组织与结构安排13-15
• 第二章 H.264视频编码及整数运动估计原理15-29
• 2.1 整数运动估计算法理论15-21
• 2.1.1 H.264编码器框架和流程15-18
• 2.1.2 可变尺寸块运动估计18-19
• 2.1.3 最优匹配准则函数19-20
• 2.1.4 全搜索算法20-21
• 2.2 IME常用快速算法介绍21-28
• 2.2.1 新三步搜索法21-23
• 2.2.2 四步搜索法23-24
• 2.2.3 钻石搜索法24-25
• 2.2.4 混合算法：边缘信息模式预测+六边形搜索算法25-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第三章 IME快速算法的设计与验证29-49
• 3.1 亚采样-局部全搜索算法理论29-33
• 3.1.1 DLFS算法过程详解29-32
• 3.1.2 DLFS算法理论效果评估32-33
• 3.2 DLFS快速算法的C模型实现33-38
• 3.2.1 宏块级编码函数33-35
• 3.2.2 IME相关函数的修改35-38
• 3.3 DLS快速算法的验证38-48
• 3.3.1 算法验证方法和指标39-41
• 3.3.2 算法验证及结果分析41-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 IME模块的硬件设计与验证49-73
• 4.1 IME模块整体结构的设计49-52
• 4.1.1 时序控制单元模块50
• 4.1.2 粗略搜索部分相关模块50-51
• 4.1.3 精细搜索部分相关模块51-52
• 4.2 总体控制及时序设计52-57
• 4.2.1 有限状态机的设计52-56
• 4.2.2 总体时序的设计56-57
• 4.3 基本运算单元的设计57-61
• 4.3.1 SAD计算单元的设计57-58
• 4.3.2 MV产生单元和MV_COST计算单元设计58-60
• 4.3.3 比较决策单元设计60-61
• 4.4 IME模块的验证61-67
• 4.4.1 验证方法介绍61-62
• 4.4.2 H.264 IP和系统平台62-64
• 4.4.3 仿真环境搭建64-66
• 4.4.4 仿真结果分析66-67
• 4.5 性能、面积对比分析67-72
• 4.5.1 性能测试分析67-68
• 4.5.2 综合面积分析68-69
• 4.5.3 设计结果对比分析69-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 总结与展望73-75
• 5.1 总结73
• 5.2 展望73-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文81

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本文编号：1096315