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面向高清视频编码芯片设计的帧间预测技术研究

作　者: 魏亮
导　师: 虞露
学　校: 浙江大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 高清视频编码帧间预测硬件结构模式选择运动估计存储与带宽
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 57次
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内容摘要

帧间预测是高效视频编码标准H.264/AVC、AVS等中的重要技术,通过利用视频序列中相邻帧之间的数据相关性来消除时间上的冗余,达到压缩的目的。随着新技术的发展和高清晰度视频的普及,视频编码芯片设计面临着巨大的挑战。本文主要以H.264/AVC和AVS标准中的帧间预测硬件实现技术为研究对象,通过对两个标准中帧间预测技术的分析,在资源限制条件下,从算法取舍与设计、片外总线与存储设计、结构设计与实现几个方面进行了深入的研究。本文通过对H.264/AVC和AVS中高清测试序列编码模式的统计分析,提出了一种两级(two-level)模式选择策略,通过在整像素运动估计后选择一种最佳模式再进行亚像素搜索,在较小的性能损失下极大地降低了实现的代价。得益于该模式选择算法在系统中的运用,本文对编码器系统流水结构进行了优化,提出了复用一套结构满足亚像素运动估计(FME)、特殊模式SKIP/DIRECT运动估计(SME)、亮度运动补偿(LMC)等多个任务,将运动补偿模块往前移动了一个流水级,提高了结构利用效率、减轻了帧内预测与重建环路流水级的节拍约束。通过对总线任务和带宽约束的分析,本文采用了直接运动其实点递进式全搜索算法,消除了亚像素搜索和特殊模式运动估计读取参考数据的总线任务,得益于流水级的优化设计,运动补偿也只需要读取色度部分数据且不增加片上存储开销,相比传统方案降低了约70%的带宽要求。随后本文还对提高总线效率的片外存储设计做了分析,提出了面向参考帧存设计优化的存储设计方案。最后本文提出了整个帧间预测部分模块的详细结构,首先提出了高吞吐率的整像素运动估计结构,从运动搜索、可变块大小SAD的累加和实时比较器设计几个方面展开,对比结果显示本文的结构具有较高的性能代价比。接着提出了亚像素运动估计结构,实现了多标准和不同任务间的二维复用,用较小的代价实现了两个标准的兼容。本文还对色度运动补偿结构进行了设计,提出了用加法器和选择器设计乘法器的方案,节省了约20%的逻辑资源。本文设计的硬件结构均进行了功能仿真和FPGA综合,仿真结果显示功能正常,综合满足设计目标。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
表目录  10-11
图目录  11-13
第1章绪论  13-26
  1.1 视频压缩理论与编码标准  13-19
    1.1.1 视频压缩理论背景与必要性  13-15
    1.1.2 视频编码标准介绍  15-19
  1.2 集成电路设计技术  19-21
    1.2.1 集成电路的发展  19-20
    1.2.2 集成电路设计方法  20-21
  1.3 高清编码器设计  21-24
    1.3.1 通用结构与专用结构视频编码器  22-23
    1.3.2 高清视频编码器设计的特点  23-24
  1.4 本文的研究意义和内容安排  24-25
    1.4.1 本文的研究意义  24
    1.4.2 本文的内容安排  24-25
  1.5 本章小结  25-26
第2章视频编码中的帧间预测技术  26-38
  2.1 视频编码中帧间预测技术概述  26-28
    2.1.1 运动估计  26-28
    2.1.2 运动补偿  28
  2.2 帧间预测的关键技术  28-37
    2.2.1 基于可变块大小的全搜索算法  30-31
    2.2.2 1/4像素精度插值  31-32
    2.2.3 特殊模式  32-35
    2.2.4 模式选择算法  35-37
  2.3 本章小结  37-38
第3章面向硬件的帧间预测算法设计  38-56
  3.1 设计目标与系统约束  38-40
    3.1.1 设计目标  38
    3.1.2 系统和资源约束分析  38-40
  3.2 模式选择算法设计  40-46
    3.2.1 模式裁剪  40-43
    3.2.2 两级(two-level)的模式选择策略  43-46
  3.3 运动估计算法设计  46-55
    3.3.1 搜索起始点的选取  46-48
    3.3.2 搜索窗大小与参考帧数量的选取  48-51
    3.3.3 B帧双向预测裁剪  51-53
    3.3.4 亚像素搜索分析  53-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章帧间预测器系统结构设计  56-70
  4.1 结构复用与系统流水级优化设计  56-59
    4.1.1 传统高清编码设计流水结构  56-57
    4.1.2 结构复用设计分析  57-58
    4.1.3 优化后的流水结构  58-59
  4.2 帧间预测器总体结构  59-61
    4.2.1 帧间预测器内部结构  59-60
    4.2.2 帧间预测器外部结构与编码器系统  60-61
  4.3 存储设计与总线任务  61-69
    4.3.1 总线任务  61-63
    4.3.2 片上存储  63-67
    4.3.3 片外存储  67-69
  4.4 本章小结  69-70
第5章兼容H.264/AVC和AVS的运动估计与运动补偿结构  70-91
  5.1 整像素运动估计(IME)结构  70-80
    5.1.1 IME的吞吐率  70-73
    5.1.2 IME搜索顺序与数据地址产生  73-75
    5.1.3 可变块大小SAD的累加与比较  75-79
    5.1.4 IME的实现结果  79-80
  5.2 FME/SME/LMC结构  80-87
    5.2.1 插值滤波器  80-83
    5.2.2 高吞吐率的亚像素插值结构  83-85
    5.2.3 FME/SME/LMC整体结构  85-86
    5.2.4 FME/SME/LMC的实现结果  86-87
  5.3 色度插值结构  87-89
  5.4 帧间预测器的实现结果  89-90
  5.5 本章小结  90-91
第6章总结与展望  91-93
参考文献  93-100
作者在攻读硕士学位期间的科研成果与科研工作  100

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