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基于FPGA的H.264视频编码器帧内预测系统设计

作　者: 于小燕
导　师: 赵不贿
学　校: 江苏大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: H.264 现场可编程逻辑阵列 视频压缩 帧内预测
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 161次
引　用: 1次
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内容摘要


H.264视频编解码标准以其高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等优点在数字电视广播、网络视频流媒体传输、视频实时通信等许多方而得到了广泛应用。提高H.264帧内预测的速度,对于实时性要求较高的场合具有重大的意义。为此,论文在总结国内外相关研究的基础上,针对H.264帧内预测的软件实现具有运算量大、实时性差等缺点,提出了一种基于FPGA的高并行、多流水线结构的帧内预测算法的硬件实现。论文在详细阐述H.264帧内预测编码技术的基础上,分析了17种预测模式算法,通过Matlab仿真建模,直观地给出了预测模式的预测效果,并在JM12.2官方验证平台上测试比较各种预测模式对编码性能的影响,以此为根据对帧内预测模式进行裁剪。接着论文提出了基于FPGA的帧内预测系统的设计方案,将前段采集到的RGB图像通过色度转换模块转换成YCbCr图像,存入片外SDRAM中,控制模块负责读写数据送入帧内预测模块进行处理。帧内预测模块中,采用一种并行结构的可配置处理单元,即先求和再移位最后限幅的电路结构,来计算各预测模式下的预测值,极大地减小了预测电路的复杂度。针对预测模式选择算法,论文采用多模式并行运算的方法,即多个结构相同的残差计算模块,同时计算各种预测模式对应的SATD值,充分发挥FPGA高速并行处理的能力。其中Hadamard变换使用行列分离的变换方法,采用蝶形快速变换、流水线设计提高硬件的工作效率。最后,论文设计了LCD显示模块直观地显示所得到的最佳预测模式。整个帧内预测系统被划分成多个功能模块,采用层次化、模块化的设计思想,并采用流水线结构和乒乓操作来提高系统的并行性、运行速度和总线利用率。所有模块用Verilog语言设计,由Modelsim仿真和集成开发环境ISE9.1综合。仿真与综合结果表明,系统时钟频率最高达到106.7MHz。该设计在完成功能的基础上,能够较好地满足实时性要求。论文对于研究基于FPGA的H.264视频压缩编码系统进行了有益的探索,具有一定的实用价值。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 视频编码技术的研究背景  10-11
  1.2 视频编码标准的发展历程  11-13
  1.3 H.264视频压缩编解码国内外研究现状  13-15
  1.4 课题研究的目的及意义  15-16
  1.5 论文主要内容安排  16-18
第二章 H.264视频编码技术  18-28
  2.1 H.264标准的发展历程  18-19
  2.2 H.264视频编码标准  19-21
    2.2.1 H.264编码分层结构  19-20
    2.2.2 H.264的档次和级别  20-21
  2.3 H.264视频编解码器结构  21-23
    2.3.1 H.264编码器  21-22
    2.3.2 H.264解码器  22-23
  2.4 H.264关键技术  23-27
    2.4.1 帧内预测  23
    2.4.2 帧间预测  23-25
    2.4.3 整数变换与量化  25-26
    2.4.4 熵编码  26-27
    2.4.5 去块滤波器  27
  2.5 本章小结  27-28
第三章 帧内预测算法分析  28-42
  3.1 帧内预测原理  28-29
  3.2 帧内预测算法  29-37
    3.2.1 4×4亮度块的预测模式  29-34
    3.2.2 16×16亮度块的预测模式  34-36
    3.2.3 8×8色度块的预测模式  36-37
    3.2.4 最佳预测模式的选择  37
  3.3 帧内预测算法模型仿真  37-41
    3.3.1 4×4亮度块预测模式仿真  38-39
    3.3.2 帧内预测模式裁剪  39-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章 系统方案设计  42-53
  4.1 H.264编码器结构设计  42-44
    4.1.1 H.264编码器整体架构  43
    4.1.2 模块功能  43-44
  4.2 帧内预测系统的结构设计  44-48
    4.2.1 系统结构设计  45
    4.2.2 数据读写控制模块设计  45-46
    4.2.3 帧内预测模块设计  46-48
  4.3 系统设计流程  48-50
  4.4 系统开发工具和硬件平台  50-52
    4.4.1 ISE软件  51
    4.4.2 Virtex-Ⅱ Pro系列芯片  51-52
  4.5 本章小结  52-53
第五章 基于FPGA的帧内预测硬件设计  53-80
  5.1 色度空间转换模块设计  53-56
    5.1.1 RGB色度空间和YCbCr色度空间  53-54
    5.1.2 色度空间转换模块设计  54-56
    5.1.3 色度空间转换模块的仿真波形  56
  5.2 数据读写控制模块设计  56-60
    5.2.1 SDRAM控制器的设计  56-59
    5.2.2 RAM模块的配置及测试  59-60
  5.3 帧内预测子模块设计  60-79
    5.3.1 块扫描顺序  60
    5.3.2 预测值计算模块设计  60-69
    5.3.3 预测模式选择模块设计  69-74
    5.3.4 LCD显示模块设计  74-77
    5.3.5 模块仿真验证  77-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章 总结与展望  80-82
  6.1 论文工作总结  80-81
  6.2 后续工作展望  81-82
参考文献  82-86
致谢  86-87
攻读硕士期间发表的学术论文  87

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 图像通信、多媒体通信 > 图像编码
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