H.264关键算法及软硬件协同设计研究

论文摘要

作为新一代视频编码标准的H.264,以优异的压缩性能、高性能的图像质量和良好的网络亲和性受到广泛的关注,在网络视频传输、数字高清视频等方面具有广阔的应用前景。H.264编码算法包含了许多方面的编码技术,也包含了许多复杂的计算,这也使H.264的编码速度及其实际应用受到了限制,同时H.264编码标准处于不断的发展中。因此,对H.264编码算法的研究和改进以及对H.264编码器实现的研究,具有重要的意义。论文首先简单介绍了标准的H.264编码算法及其特点,其中针对帧间预测复杂度高、编码时间长的特点以及针对CAVLC熵编码进行了改进。帧间预测由运动估计和运动补偿两部分组成,运动估计作为其中的关键算法,其性能的好坏直接决定了帧间预测的效率,本文结合视频图像运动的特点,对UMHexagonS运动估计算法提出了一种改进方法。CAVLC熵编码作为编码器的最后一个环节,采用无损的编码方式,对压缩码流起到了关键作用。通过对CAVLC熵编码的研究发现,其存在一定的缺陷,本文结合编码码流的特点以及熵编码的过程,对熵编码算法进行了改进,改进后可以进一步节省编码后的码流,减少传输的带宽。通过不同图像序列的测试表明,论文中的运动估计优化算法在保证图像质量的前提下,提高了运动估计的编码速度,平均可以节省16%的运动估计时间,而最高可以节省24.2%。而针对CAVLC熵编码的优化,也达到了降低编码后的码流的效果。本文还对基于H.264编码器的视频采集系统的实现进行了研究。利用软硬件结合的思想,本文采用FPGA,结合SOPC技术,并利用硬件描述语言(HDL)、NiosⅡ处理器和Altera Avalon总线以及灵活的用户自定义组件,设计了视频采集模块、软硬件接口模块和硬件加速模块,构建了整个H.264视频编码系统。另外,本文详细介绍了采用全流水线技术实现的DCT变换和量化硬件加速模块,以及介绍了硬件实现的CAVLC熵编码加速模块,与纯软件相比,提高了编码速度。整个设计通过Altera DE2平台验证,在应用方面具有良好的发展空间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 视频编码的主要标准
• 1.3 H.264编码器的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 H.264/AVC视频编码技术
• 2.1 H.264编码器简介
• 2.1.1 H.264编码器的档次和级
• 2.1.2 H.264编码器的构成
• 2.1.3 H.264中的句法元素
• 2.2 H.264视频编码的主要技术
• 2.2.1 帧内预测
• 2.2.2 帧间预测
• 2.2.3 熵编码技术
• 2.2.4 去方块滤波
• 2.3 H.264编码器的性能
• 2.4 本章小结
• 3 H.264运动估计算法的改进
• 3.1 运动估计算法介绍
• 3.2 UMHexagonS算法
• 3.2.1 UMHexagonS算法简介
• 3.2.2 UMHexagonS算法问题分析
• 3.3 UMHexagonS算法的改进
• 3.3.1 候选运动矢量判定
• 3.3.2 改进的搜索模型
• 3.4 实验结果和分析
• 3.5 本章小结
• 4 CAVLC算法的改进
• 4.1 变长编码简介
• 4.2 CAVLC熵编码过程
• 4.3 CAVLC熵编码码流的改进
• 4.4 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 5 基于SOPC平台的H.264视频编码系统
• 5.1 H.264视频编码系统整体架构
• 5.2 图像采集模块的实现
• 5.2.1 CMOS图像传感器的配置
• 5.2.2 色彩格式转换
• 5.3 图像采集软硬件接口的实现
• 5.3.1 NiosⅡ通信结构
• 5.3.2 Avalon Slave接口规范
• 5.3.3 软硬件接口的控制时序
• 5.3.4 数据读取的实现及模块设计
• 5.4 软件代码的实现
• 5.4.1 H.264代码的移植
• 5.4.2 H.264代码的优化
• 5.5 硬件加速模块的设计及实现
• 5.5.1 DCT变换量化硬件加速模块的实现
• 5.5.2 CAVLC硬件加速模块
• 5.5.3 硬件加速模块的接口设计和验证
• 5.6 本章小结
• 6 H.264视频编码系统构建及验证
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢