视频编码系统的FPGA设计与实现

发布时间：2017-11-01 10:21

  本文关键词：视频编码系统的FPGA设计与实现

  更多相关文章： H.264编码 FPGA SOPC NiosⅡ处理器

【摘要】：数字视频的应用越来越广泛,视频应用已经渗透到工业生产、日常生活、军事作战等各方面,为公共安全提供了保障。高稳定性、低成本、可扩展性等方面具有突出优势的压缩编码技术有重要的学术研究意义与实际应用意义。高标准的视频编码算法十分复杂,需要大量的计算。基于传统嵌入式处理器实现的编码系统,在编码性能、视频质量、实时性方面都无法满足越来越高的编码要求;利用视频编码芯片或数字信号处理器平台实现的编码系统,虽然有较完善的编码系统性能,但平台接口的定义已经固化,可扩展性差;而基于可编程性强的FPGA平台设计视频编码方案,不仅编码性能高,而且可扩展性强。大量国内外文献表明,视频编码系统的现场可编程门阵列(FPGA)设计与实现,在编码性能、稳定性、实时性等方面均能得到大幅的提升。本文深入研究了H.264视频压缩标准,实现了一个兼有NiosⅡ嵌入式处理器和FPGA各自特性的H.264视频编码器方案。本文的主要工作为:首先,研究H.264编码的相关理论及其关键技术包括4×4帧内亮度预测模块、8×8帧内色度预测模块、16×16帧内亮度预测模块、帧间预测模块、4×4整数DCT变换模块、量化模块、4×4逆整数DCT变换、逆量化模块、熵编码模块、以及去块滤波模块等模块。确定实现H.264编码的基本档次。通过在官方制定的H.264编码的基础框架上经过分析与简化,去掉了编码算法中复杂度较高或者对编码性能的提高影响小的算法模块,整理出一套能够在FPGA中适用的完整的基本档次的H.264编码算法。首先,在SOPC Builder开发环境中,设计并构建视频编码系统所需要的SOPC硬件系统平台,主要工作是调用SOPC Builder的IP核资源并定制SOPC Builder中没有的SD卡控制器IP核,构建了以N iosⅡ处理器为核心的SOPC硬件系统。然后,将H.264编码算法加入到NiosⅡ开发环境中,并使用C语言设计相应软硬件接口。最后,将H.264编码算法集成到SOPC硬件系统,结合开发板进行硬件和软件的联合调试验证编码系统主要模块的功能。并使用MATLAB和H264visa软件分析验证编码系统和编码性能。
【关键词】：H.264编码 FPGA SOPC NiosⅡ处理器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN919.81
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 研究现状11-13
• 1.3 本文的研究内容以及章节安排13-16
• 第2章 背景知识介绍16-40
• 2.1 视频编码技术原理概述16-18
• 2.1.1 预测编码16-17
• 2.1.2 变换编码17
• 2.1.3 熵编码17-18
• 2.2 H.264视频编码标准18-35
• 2.2.1 H.264编码技术概述18-19
• 2.2.2 H.264编码器的结构和原理19-21
• 2.2.3 H.264编码的关键技术21-34
• 2.2.4 H.264编码性能评估34-35
• 2.3 FPGA开发工具简介35-38
• 2.3.1 FPGA开发板35-36
• 2.3.2 Nios Ⅱ 嵌入式软核处理器36-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 H.264编码标准的FPGA设计与实现40-64
• 3.1 H.264系统的实现方案40-43
• 3.2 SOPC系统平台设计43-50
• 3.2.1 NiosⅡ处理器内核43-44
• 3.2.2 JTAG UART参数配置44
• 3.2.3 Timer IP模块参数配置44-45
• 3.2.4 PIO IP模块参数配置45-46
• 3.2.5 System ID IP模块参数配置46
• 3.2.6 DDR SDRAM IP核参数配置46-47
• 3.2.7 SD卡控制器IP核47-50
• 3.3 NIOSⅡ软件系统设计50-62
• 3.3.1 SD卡读写通信51-56
• 3.3.2 H.264算法56-62
• 3.4 系统集成62-63
• 3.5 本章小结63-64
• 第4章H.264编码系统的仿真验证64-76
• 4.1 H.264编码模块的仿真64-69
• 4.1.1 帧内预测模块64-65
• 4.1.2 DCT变换模块65-66
• 4.1.3 量化模块66
• 4.1.4 反量化模块66-67
• 4.1.5 iDCT变换模块67-68
• 4.1.6 熵编码模块68-69
• 4.2 H.264编码系统测试与分析69-74
• 4.2.1 H264Visa软件69-70
• 4.2.2 系统编码性能测试70-72
• 4.2.3 系统编码功能测试72-74
• 4.3 本章小结74-76
• 第5章 结束语76-78
• 参考文献78-82
• 作者简介及在学期间取得的科研成果82-84
• 作者简介82
• 研究成果82-84
• 致谢84

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本文编号：1126394