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DVR系统中编码和存储技术的研究及FPGA实现

作　者: 王亚清
导　师: 周孟然
学　校: 安徽理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: DVR H.264编码标准 DVR存储 FPGA RAID技术
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 17次
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内容摘要

DVR作为数字监控中心的核心设备,是集音视频编解码、存储和网络于一体的一套完整的系统。随着人们安防意识的逐步提高,视频监控的DVR产品越来越被广泛的应用在生活中的各个领域,相应的DVR的关键设计——视频编码和存储技术也是人们关注的热点。本文在前人工作的基础上对DVR系统编码和存储技术做了新的研究与实现。文章在介绍了DVR系统的整体结构及工作原理,全面的分析了目前市场上的各种DVR方案的优劣之处之后,又进一步分析了DVR系统的国内外研究现状,提出了存在的不足。根据市场现有方案和存在的不足之处,本文做了以下改进：首先针对视频编码部分,采用最先进的H.264标准,压缩率高,可以节省空间,低码率、容错能力强、图像流畅质量高,并利用FPGA芯片内部强大的并行处理能力,将采集、压缩以及总线集成在一起,不仅实现了灵活性,而且还使系统得到了稳定。因编码采用整数变换,而FPGA设计过程中刚好不涉及浮点运算,又可以重复使用,故而本文利用FPGA完成了H.264的视频采集、帧内预测、变换量化以及运动估计等模块的实现。最后利用Modelsim软件对编码部分进行仿真并分析结果,QuratusⅡ对其进行了逻辑综合,实现了整个编码过程。存储方面,利用FPGA实现了DVR内部存储器的设计,Modelsim进行仿真验证,利用IDERAID技术解决了存储外扩,扩大了磁盘容量,满足了客户要求。DVR系统中编码和存储技术是两大关键技术,直接决定了其性能优劣以及市场的竞争地位,利用FPGA器件来实现编码和存储技术,压缩效率高、磁盘空间大、灵活性强、系统稳定性高,具有重要的理论意义和实践价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-14
1 绪论  14-20
  1.1 课题研究的背景和意义  14-15
  1.2 视频编码和存储技术的国内外研究现状及存在的问题  15-17
    1.2.1 国内外研究现状  15-17
    1.2.2 存在的问题  17
  1.3 视频编码和存储技术的方案选择  17-18
  1.4 本文的研究工作和论文安排  18-20
2 DVR编码及存储的理论知识  20-38
  2.1 DVR的结构和基本原理  20-21
    2.1.1 DVR的基本结构  20
    2.1.2 基本原理及模块介绍  20-21
  2.2 音视频编码的发展过程  21-28
    2.2.1 H.261  21-22
    2.2.2 MPEG-1/2  22-23
    2.2.3 MPEG-4  23-24
    2.2.4 MPEG-7  24-25
    2.2.5 H.263  25-26
    2.2.6 H.264  26-28
  2.3 H.264编码中的主要技术  28-34
    2.3.1 帧内预测编码技术  28-30
    2.3.2 帧间预测编码技术  30-32
    2.3.3 4×4整数变换  32-33
    2.3.4 熵编码  33
    2.3.5 运动估计  33-34
  2.4 DVR的存储技术  34-36
    2.4.1 视频存储的特性  34-35
    2.4.2 设计中易遇到的难点  35-36
  2.5 DVR的存储方式  36-37
    2.5.1 存储方式的发展历程  36
    2.5.2 存储方式的具体应用  36-37
  2.6 本章总结  37-38
3 视频编码技术的FPGA实现  38-62
  3.1 仿真测试工具介绍  38-40
    3.1.1 QuartusⅡ开发软件  38
    3.1.2 ModelSim仿真工具  38-39
    3.1.3 硬件描述语言  39-40
  3.2 系统整体设计  40-45
    3.2.1 设计方法介绍  40-45
    3.2.2 H.264编码器整体结构  45
  3.3 系统实现  45-48
    3.3.1 视频A/D芯片  45-46
    3.3.2 FPGA芯片  46-47
    3.3.3 I~2C总线  47
    3.3.4 USB芯片  47-48
  3.4 视频采集模块  48-49
    3.4.1 FPGA实现的视频采集模块  48-49
    3.4.2 仿真结果  49
  3.5 帧内预测模块  49-54
    3.5.1 帧内预测快速算法  49-51
    3.5.2 基于FPGA的帧内预测系统  51-52
    3.5.3 实验结果  52-54
  3.6 变换量化模块  54-57
    3.6.1 变换原理与量化过程分析  55
    3.6.2 FPGA实现  55-56
    3.6.3 仿真结果  56-57
  3.7 运动估计模块  57-60
    3.7.1 运动估计的算法研究  57-58
    3.7.2 基于块的运动估计方法  58-59
    3.7.3 FPGA实现  59-60
    3.7.4 仿真结果  60
  3.8 本章总结  60-62
4 DVR存储技术的解决  62-66
  4.1 内部存储器及FPGA实现  62
  4.2 外挂存储技术  62-64
    4.2.1 RAID技术简介  62-63
    4.2.2 RAID种类及应用  63
    4.2.3 解决方法  63-64
  4.3 本章小结  64-66
5 结论与展望  66-68
  5.1 本文工作总结  66-67
  5.2 展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-74
作者简介与读研期间主要科研成果  74

DVR系统中编码和存储技术的研究及FPGA实现

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