面向HEVC的参考帧压缩算法研究及其VLSI实现

发布时间：2020-05-01 02:37

【摘要】：参考帧压缩是一种降低编码器外存带宽要求的有效方法,对P/B帧压缩尤其有效。本文将提出一种新颖的基于块内预测(In Block Prediction,IBP)的参考帧压缩算法。该算法会产生两个集合的数据：预测残差(Prediction Residual, PT,基本集)和截位残差(Truncated Residual,TR,增强集)。通过配合使用这两个集合的数据可以产生不同档次的还原像素——有损像素和无损像素,有损像素压缩率高,无损较低。这两种像素被用到编码器的不同部分。与已有算法相比,所提算法通过两个方面来减少系统带宽需求：第一方面来自像素截位,算法为整像素运动估计(Integer Motion Estimation, IME)提供有损像素进行运算,而为分像素运动估计(Factional Motion Estimation, FME)和运动补偿(Motion Compensation,MC)提供无损像素。由于整像素运动估计载入的数据量远大于分像素运动估计和运动补偿,所以大部分参考帧采用的是压缩率较高的有损数据,少部分使用无损数据。这种分档次数据提供策略可以节省大约37.5%的系统带宽(3比特截位)。第二方面来自算法本身的压缩效率。参考帧被压缩后需要载入的数据量减少,系统带宽需求降低。像素截位还非常有助于提高后续PR压缩的压缩率。实验证明,进行3比特截位后可使图像压缩到原来的15.4%,而现在大部分的参考帧压缩算法只能达到50%左右。像素尾比特截位(Tail Bit Truncation, TBT)产生的PR是有损的数据,TR是截出的尾位。如果将PR和TR相加可以很容易的获得无损的还原数据。PR数据会进一步通过块内预测(IBP)和小值优化的变长编码(Small Value Optimized Variable Length Coding,SVO-VLC)进行压缩。所提算法的无损压缩效率(PR+TR)也可达到44.5%,超出了大部分现有算法。根据实验结果,3比特截位时,所提算法大约可以节省74.5%的系统带宽需求。另外,基于快内预测的IME可以在硬件实现时减少35%的面积开销。本文所提算法具有很好的软硬件兼容性,也能对IME的快速算法很好兼容。同时,在小的截位数情况下(n4),编码图像质量的下降基本可以忽略。本文的主要工作包括：(1)分析国内外目前存在的参考帧压缩算法,对其进行分类,总结它们的优点及不足。(2)提出一种适合于HEVC编码器的参考帧压缩算法,算法可以做到高效压缩,并且对编码器透明。(3)软件实现算法,使用C++对算法建模,验证和评估算法的性能。(4) VLSI实现参考帧压缩算法,对硬件构架进行设计和优化。(5)把参考帧压缩的codec作为一个IP,设计IP的输入和输出部分。输入输出实现和HEVC编码器以及外存的透明连接,采用EDA工具对设计进行初步仿真并采用Design Compiler进行设计综合。
【图文】：

述发展趋势的要求，现在主流的Ｈ．２６４凸显出了很多局限性。由于视逡逑的增大，编码宏块个数爆发增长，导致编码宏块的预测模式、运动矢量逡逑字增加，降低了视频压缩的效率。大的分辨率也使得运动的运动矢量逡逑加，Ｈ．２６４对矢量编码使用指数哥伦布编码，大的幅值将降低指数哥逡逑的编码效率。另外，Ｈ．２６４的串行处理方式限制了其在ＧＰＵ、ＤＳＰ和高逡逑ＣＰＵ上的优化应用，成为了运算的性能瓶颈。逡逑足Ｗ上发展趋势，２０１０年１月ＩＴＵ－Ｔ邋ＶＣＥＧ和１Ｓ０／ＩＥＣ邋ＭＰＥＧ联合逡逑ＶＣ联合组织，致力于定制新一代视频编码标准：ＨＥＶＣ（Ｈｉ班陆Ｉｃｉｅｎ巧逡逑ｉｎｇ），并于２０１３年１月正式在业界公布。逡逑ＶＣ邋简介逡逑２为现有的视频编码标准的发展过程，由ＩＴＵ－Ｔ和ＩＳＯ／化Ｃ联合推出的逡逑最新一代的视频编码标准。该标准于２０１３年１月发布为国际标准，逡逑新一代视频编码标准，仍然采用了预测加变换的源合编码框架，并采逡逑

．３视频压缩中的带宽问题逡逑与之前视频压缩标准相比，ＨＥＶＣ定位于超高清应用领域。现在，１０８０Ｐ己逡逑变为了当前的主流需求，而更高的清晰度，，例如４ＫＸ２Ｋ的ＱＦＨＤ邋（Ｑｕａｄ化１１逡逑ｉｇｈ邋Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）己经被作为了下一代视频应用的目标尺寸。相比于１０８０Ｐ，邋ＱＦＨＤ逡逑系统的带宽要求提出更高要求，这将成为系统高速、低功耗设计的瓶颈。逡逑对于ＨＥＶＣ，帖间编码时可选不同参考侦进行运动估计，１＾此提供更好的预逡逑结果和更高的纠错性能。但一般情况下，特别是在超高清应用中，参考顿数据逡逑巨大，将被存储在片外的存储器上。在编码器进行编码时，运动估计、运动补逡逑等操作会用到参考侦，编码器将参考帖由片外载入片上。对于１０８０Ｐ＠３０ｆｐｓ的逡逑高清视频流来说，c\索窗口大小取为［－６４，邋＋６３］，整像素运动估计（ＩＭＥ）的外逡逑访问带快要求高达４０Ｇｂｐｓ，分像素运动估计（ＦＭＥ）和运动补偿（ＭＣ）的带逡逑宽要求也有３．１Ｇｂｐｓ。对于编码４Ｋ的视频流，其带宽要求将是１０８０Ｐ的１０多逡逑，这样高的外存访问带宽将极大的挑战１Ｃ的高速和低功耗设计，另外也将给逡逑０带来巨大挑战。逡逑
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN919.81

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 艾育华;叶梧;冯穗力;胡兵;谢明;;基于场景参考帧的预测帧刷新[J];华南理工大学学报(自然科学版);2007年05期

2 彭强;杨天武;张庆明;;基于反馈的自适应参考帧选择的率失真优化分析[J];电子与信息学报;2009年06期

3 李国玉;;解码器中的参考帧压缩算法及其硬件设计[J];电视技术;2009年S1期

4 苏育挺;陈明;张静;张承乾;;基于参考帧的多视点视频信息隐藏算法[J];电子测量技术;2014年01期

5 李晨;姜秀华;孟放;孙慧;杨爽;;基于缩减参考帧的高清图像质量评价研究[J];电视技术;2006年12期

6 李红娥;;一种改进的参考帧选择技术的编码效率测试[J];西华大学学报(自然科学版);2007年05期

7 范嘉荣;韦虎;周开伦;林涛;;针对编码器的参考帧有损压缩算法设计[J];中国科技论文;2014年07期

8 喻莉,周琴;AVS-M中的错误恢复技术[J];电视技术;2005年09期

9 王英坤;徐伯庆;杨华;;H.264中基于上下文的参考帧选择算法[J];计算机工程;2008年08期

10 尹勇;万芬;;基于H.264的低复杂度参考帧确定的算法[J];武汉理工大学学报;2009年02期

相关博士学位论文 前4条

1 刘达;基于双参考帧运动补偿的视频编码研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 刘英哲;H.264/AVC高效编码技术研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

3 杨天武;基于率失真优化的视频差错综合控制技术研究[D];西南交通大学;2006年

4 沈承东;面向无线视频的预测编码技术研究[D];国防科学技术大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈明;基于参考帧的多视点视频信息隐藏方法[D];天津大学;2014年

2 李云峰;参考帧选择及相关技术研究[D];西南交通大学;2004年

3 张玉洁;基于合成参考帧的视频编码技术研究[D];浙江大学;2008年

4 陈杰;视频编码中考虑参考帧质量的重建图像失真模型[D];浙江大学;2012年

5 柯水洲;基于参考帧的视频解码分辨率放大算法研究[D];国防科学技术大学;2006年

6 代志刚;基于AVS-M标准的参考帧选择算法研究[D];西南交通大学;2008年

7 范民军;基于运动目标检测的三维滤波技术研究[D];浙江大学;2013年

8 江巧微;H.264编码算法与解码器存储结构优化[D];浙江大学;2006年

9 刘柱寨;新一代视频编码标准HEVC参考帧设置与块划分快速算法研究[D];华南理工大学;2014年

10 王晓方;基于网络传输的视频系统的研究[D];西安电子科技大学;2006年

本文编号：2646461