基于FPGA的HEVC帧内预测加速模块设计

发布时间：2020-07-17 00:13

【摘要】：随着社会需求的增长,视频分辨率正从720P/1080P向2K/4K发展,且视频帧率也有提高的趋势。除了分辨率及帧率,视频的实时性也有着很高的需求度。上述需求对视频压缩算法提出了更高的要求,现主流的H.264压缩标准已力不从心,而新一代视频压缩标准HEVC(High Efficiency Video Coding,高效视频编码)相较于H.264压缩率提高了40%-50%,它将肩负起下一代视频压缩的重任。HEVC有着提升明显的压缩效率,但算法的复杂度也大大增加。其中,帧内预测部分的算法复杂度提升是很重要的一个因素。因此,帧内预测的算法优化及实现是当前的研究热点。帧内预测的复杂性主要体现在两方面,一是预测单元的划分,HEVC的预测单元有4×4至64×64共5种可划分尺寸,而H.264的预测单元仅有4×4和16×16两种。二是HEVC为每个预测单元定义了35种帧内预测模式,而H.264的帧内预测模式仅有9种。因此,HEVC帧内预测部分的优化可从这两方面入手。本文的主要研究内容包括:HEVC帧内预测算法优化及优化算法的FPGA实现。1.算法优化层面:采用“sobel+SATD(Sum of Absolute Transformed Difference,hadamard变换后的绝对误差和)”进行决策。首先利用基于sobel算子的梯度算法决策出预测单元划分以及最佳角度预测模式。再利用SATD代价函数对最佳角度预测模式、DC模式、Planar模式进行判断,从而获得最优预测模式。2.FPGA实现层面:采用“多层流水线+并行处理单元”硬件架构。利用多层流水线优化帧内预测各步骤的运行时序,同时利用并行处理单元加速像素梯度以及方向变化率的计算。正确实现优化算法的同时,大大提高了帧内预测环节的计算速度。实验结果表明,本设计能够满足2K@31fps或1080P@62fps的视频编码任务。相对于HM16.7,本设计在保证图像质量及压缩率的同时,帧内预测运行时间减小约33.44%。相对于其他帧内预测优化方案,本方案在帧内预测准确度及计算速度上有着更好的效果。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.81
【图文】：

视频,分辨率,视频设备

1.1 研究背景及意义当今社会，随着科学技术的发展，以及人们生活需求的提高，视频相关应用在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。视频电话会议，电视盒子，在线教育，游戏娱乐等种类繁多的视频应用在我们生活中随处可见，并且为我们的生活带来了前所未有的便捷与高效。自上世纪 80 年代 IBM 发布第一个彩色图形标准（CGA）[1]以来，短短的三十多年间，视频图像分辨率从最初的 320×200，发展到后来的 720p 及 1080p。而现在，4K 时代已然来临，各类 4K 视频设备如雨后春笋般出现。甚至可以预见，在不久的将来，8K 视频也将成为各类视频设备的标配。（视频分辨率的发展进程如图 1-1 所示）。除了分辨率的大幅度提升之外，视频帧率也有了长足的进步。之前视频的主流帧率为30fps 60fps，而如今在许多场景，如电影，体育转播中，已经能看到 120fps 的视频。同时，在视频会议，视频直播等应用场景中，视频传输的实时性也是非常重要的一项需求。

雷达图,压缩算法,雷达图,性能指标

鉴于 HEVC 出色的性能，其必将成为日后主流的视频压缩标准，并将会对生活中各项视频应用带来质的提升：屏幕更大，画质更清晰，传输耗时更短，占用空间更小。综上，对 HEVC 展开研究是势在必行的任务。1.2 HEVC 帧内预测研究现状研究一项视频编码标准，需要考虑的性能指标有许多。诚然，压缩率是很重要的一项性能指标，毕竟我们使用压缩算法的根本目的就是将视频流压缩至便于传输和存储的码率。但除了压缩率之外，我们还需要考虑其他性能指标，如压缩后的图像质量，压缩耗时，压缩成本，压缩算法复杂度等。不幸的是，这些性能并不是可以同时的满足的，它们往往是相互矛盾的。如果要压缩率高，则图像质量往往较差；而若要求压缩率以及图像质量都高，则压缩耗时以及算法复杂度又会增加（如图 1-3 所示）。因此，所谓视频压缩算法的研究即在这些性能指标中寻找到一种平衡，或者在侧重某一性能指标的同时保证其余性能指标在可接受的范围内。

矩阵图,频域,矩阵,数据量

有一个特征：内容变化缓慢区域(低频区域)占据一高频区域)则占小部分，但高频部分的数据量却要比高频部分可能数据量占比多达 50%。因此我们可以缩编码的目的[33]。变换过程就是为了达到这个目的后，将低频与高频数据分离开，去除了它们之间的作。，一个 8×8 的图像经 DCT 变换后得到如下矩阵，坐标，v 为纵向坐标。可以看到高频部分（u,v 值较（u,v 值较小区域）c 的绝对值较大，说明图像的息量较少的高频部分，可利用后续的量化操作进行

【参考文献】