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H.264标准视频编码器中的图像运动估计及其VLSI实现

作　者: 孙毅
导　师: 林争辉
学　校: 同济大学
专　业: 电路与系统
关键词: H.264 绝对差值阈值自适应五步长搜索法 FPGA硬件实现
分类号: TN762
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 18次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

迈入21世纪，世界已经从工业革命后时代进入到了信息革命时代。在信息化的世界中，图像无论作为一种记录的媒体，还是作为一种娱乐的工具，都成为了非常重要的途径和技术手段。为了提高图像的质量和适应不同传输网络的环境和应用场合的需要，高效并且快速的图像压缩编码技术就显得至关重要了。本论文首先从视频图像的特点和压缩编码的技术发展入手，在讨论的过程中不断尝试新的方法可能带来的突破和改进，并且将视线始终固定在提高压缩比和降低运算量这对矛盾上。并且集中注意力在当今最新最先进的图像编码标准——H．264上，在标准的规范下，寻找在编码过程中可以灵活改进的地方。随后，本文将精力倾注于图像压缩中非常关键的一个技术问题——搜索算法上，并且在分析和比较了过往存在的诸多不同的搜索法的优劣之后，突破性地提出了新的算法，即绝对标准阈值白适应步长的五步搜索法。这个算法在运算速度和匹配度之间取得了非常好的均衡，既达到了非常高的运算速度来保证传输的实时性，又拥有相当高的匹配精度来保证图像压缩的效率。并且作为自适应算法，更好地吻合了每种不同尺寸大小的分割的处理过程，为不同的尺寸子分割量身定制了最适合的处理方法，达到了理想的效果。在提出算法思想后，本论文又以科学严谨的态度和全面的视野考察了这个算法作为一种快速搜索法的速度和匹配精度，并且对于算法中的每个创新点都给予了严密的论证和充分的实验，以翔实的数据来支撑算法的理论结果。作为判定宏块匹配程度的标尺，本算法采用了区域内绝对差值之和作为衡量宏块匹配程度的标准。它取代了传统算法中常用的采用平方差值之和作为标准的算法，这样就大大减少了平方运算所需要的大量宝贵时间和由此带来的昂贵的硬件耗费开销，并且同时保留了偏差累积的计算思想，取得了非常好的实用特性，并且结合后续的硬件设计，提供了非常好的软硬件通用算法。在算法的基础上，本文又继续深入地进行了硬件结构的设计。在硬件设计的过程中，首先结合所采用的实现设计的FPGA芯片的功能特性，在分析硬件设计中如何充分发挥FPGA的最优性能的基础上，针对这些性能特点，在原有的软件算法基础上做出一定的改进，来适应硬件设计并行的特点。随之，提出了本文的另一个中心结构——宏块编码器的硬件设计结构。作为视频处理的基础单元，宏块的编码实际上也就意味着对图像进行的编码。宏块编码器的性能几乎决定了这个视频编码器的性能。因为图像的编码，实际上落实到了帧的编码中，而每个帧又被划分成若干个宏块，通过优秀的宏块编码器，能最大地发挥硬件的性能，得到最完美的编码效果。在模块功能的划分上，根据宏块处理的特点，将存储、计算、预测、编码、控制等功能一一分开，清晰明了地对每个具体模块的功能和I／O关系进行了设计。并且制定了各功能模块之间的信息传输标准协议，很好地协调了各模块之间的时序信号分配。把这些要素结合起来，一个高效率的编码器硬件就完备了，无论我们从哪个角度考虑，结构或者性能，都是非常优秀的。应该说，在当今的消费电子产品技术领域，图像产品的市场越来越大，并且在可以预见的未来，还将占据主流市场很久的时间。因此，高性能的核心编码技术不但能在技术上取得成就，也能在市场的竞争中进一步体现其非凡的价值。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章引言  14-26
  1.1 视频压缩概述  14-15
  1.2 视频信号的特点  15-17
    1.2.1 直观性  15
    1.2.2 确定性  15-16
    1.2.3 高效性  16
    1.2.4 广泛性  16
    1.2.5 高带宽性  16-17
  1.3 视频压缩编码的目标和基本原理  17-18
    1.3.1 视频压缩编码的目标  17
    1.3.2 压缩编码的基础—数据冗余  17-18
  1.4 视频压缩编码技术综述  18-24
    1.4.1 压缩模型  18-19
    1.4.2 预测编码  19-22
    1.4.3 变换编码  22-23
    1.4.4 熵编码  23-24
  1.5 主要内容和结构安排  24-26
第2章视频标准的发展历史和H.264标准的诞生过程  26-44
  2.1 概述  26-30
    2.1.1 视频图像格式、传输带宽及其引发的压缩的必要性  26-27
    2.1.2 视频编码标准的历史  27-29
    2.1.3 H.264标准的诞生  29
    2.1.4 H.264的主要技术特点  29-30
  2.2 H.261标准  30-32
  2.3 H.263标准  32-33
  2.4 JPEG和JPEG 2000标准  33-34
  2.5 MPEG-1和MPEG-2标准  34-36
  2.6 H.264标准  36-42
    2.6.1 H.264标准的技术特点  36-40
    2.6.2 H.264标准的编码流程  40-42
    2.6.3 H.264的编码格式  42
  2.7 本章小结  42-44
第3章运动矢量搜索算法研究  44-67
  3.1 搜索算法概述  44-47
    3.1.1 搜索法的算法介绍  45-46
    3.1.2 本设计对于新算法的尝试和探索  46-47
  3.2 五步法搜索法  47-49
    3.2.1 算法论述  47-48
    3.2.2 算法的具体流程  48-49
  3.3 自适应步长搜索法  49-53
    3.3.1 双线性插值法  49-51
    3.3.2 基于H.264标准的自适应步长设定  51-53
  3.4 绝对标准阈值终止搜索法  53-57
    3.4.1 设定阈值的背景  53-54
    3.4.2 双阈值的设定  54-56
    3.4.3 首区域自适应上阈值设定法  56-57
  3.5 快速算法的验证和比较  57-65
    3.5.1 验证算法的平台  57-58
    3.5.2 自适应五步长搜索法的实现方法  58-59
    3.5.3 本算法和全搜索算法的比较  59-63
    3.5.4 本算法和普通自适应五步长搜索法的性能比较  63-65
  3.6 本章小结  65-67
第4章 Xilinx F P G A以及设计环境I S E简介  67-77
  4.1 Xilinx Virtex-II FPGA的结构和性能特点  67-71
    4.1.1 FPGA和ASIC的比较  67-68
    4.1.2 Xilinx Virtex-II FPGA的技术性能特点综述  68-70
    4.1.3 Virtex-II FPGA的总体结构布置  70
    4.1.4 Virtex-II FPGA的18k可选择RAM模块和嵌入式乘法器  70-71
  4.2 Xillinx ISE—集成开发环境  71-77
    4.2.1 FPGA的设计流程  71-73
    4.2.2 ISE的特点及整合的工具  73-77
第5章编码器的FPGA硬件设计  77-109
  5.1 硬件设计概述  77-78
  5.2 宏块编码实现系统总体架构设计  78-92
    5.2.1 全局时钟信号的确定  78-79
    5.2.2 FPGA编码器硬件结构  79-80
    5.2.3 内部RAM模块的结构设计  80-89
    5.2.4 内部RAM模块中均值矩阵的计算方法  89-92
  5.3 预测模块的结构设计  92-94
    5.3.1 预测模块的功能结构分析  92
    5.3.2 预测模块的整体结构设计  92-94
  5.4 I帧通路的各预测判定模块的结构设计  94-101
    5.4.1 I帧通路的分割判定模块  94-96
    5.4.2 I帧通路上的插值运算模块  96-98
    5.4.3 I帧通路上的预测模式判定模块  98-101
  5.5 B/P帧通路上各模块的结构设计  101-108
    5.5.1 B/P帧通路上的分割判定模块  101-105
    5.5.2 B/P帧通路上的运动矢量搜索模块  105-108
  5.6 本章小结  108-109
第6章结束语  109-111
谢词  111-112
参考文献  112-114
个人简历及在学期间发表的学术论文  114

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