基于FPGA的H.264运动估计算法优化与实现

论文摘要

H.264是由ITU-T视频编码专家组VCEG（Video Coding Experts Group）和ISO/IEC运动图像专家组MPEG（Moving Picture Experts Group）共同制定的视频编码标准，具有高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等优点，在数字电视广播、视频实时通信、网络视频流媒体传输等方面已广泛应用。但是现有的H.264标准编码的计算复杂度却比以往标准高出几倍甚至几十倍，单纯用软件很难达到实时编码的要求。为了缩短编码时间，提高编码系统的工作效率，有必要针对软件中耗费时间和资源较多的运动估计模块进行算法优化，并通过硬件来实现以提高编码效率。本文基于上述思想，研究基于FPGA的H.264运动估计算法优化与实现，主要工作包括：（1）阐述了H.264视频编码标准的特点、编解码结构以及主要编码技术。运动估计是整个H.264编码的核心，其计算量占整个编码环节的80%左右。本文主要介绍了H.264块匹配运动估计方法，详细介绍了现有几种经典块匹配运动估计算法，分析了现有快速运动估计算法的优缺点。（2）为减少运动估计计算量，提高视频编码效率，本文提出了基于运动强度的运动估计搜索（MEMI）算法。该算法通过定义运动强度概念来反映帧间图像运动的剧烈程度，依据当前帧的运动强度信息预测下一帧的运动情况，并选择不同算法进行运动搜索：当运动强度高于设定阈值时选用非对称十字型多层次六边形格点搜索（UMHexagonS）算法，低于该阈值时选用改进的六边形算法。实验仿真结果表明，该算法能在保证图像质量和压缩效果的基础上，大幅提高编码效率，并可通过调节阈值大小满足不同的编码要求。（3）基于FPGA硬件描述语言Handel-C设计并实现MEMI算法，将算法移植到FPGA平台上。本设计实验板的FPGA芯片采用Xilinx公司的Virtex-E XCV2000E，把设计的运动估计模块下载到实验开发板中测试，验证了设计的可行性与正确性。测试结果表明，MEMI算法采用硬件实现与软件实现相比，运动估计时间大幅减少，编码帧率可以达到15.37f/s（帧/秒）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 H.264 及运动估计算法国内外研究现状
• 1.3 本文的内容安排
• 第二章 H.264 视频编码技术及运动估计算法
• 2.1 H.264 视频编码技术
• 2.1.1 H.264 视频编码特点
• 2.1.2 编解码结构
• 2.1.3 主要编码技术
• 2.2 H.264 运动估计方法
• 2.2.1 块匹配法原理
• 2.2.2 匹配准则函数
• 2.2.3 搜索模板
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于运动强度的运动估计搜索算法
• 3.1 视频帧间运动特点分析及算法的引入
• 3.1.1 视频帧间运动特点
• 3.1.2 算法引入
• 3.2 运动强度的定义及可行性分析
• 3.2.1 运动强度的定义及计算方法
• 3.2.2 运动强度对帧间运动情况的描述能力
• 3.2.3 运动强度可预测性分析
• 3.3 MEMI 算法详述
• 3.3.1 MEMI 算法设计思路
• 3.3.2 改进的六边形算法
• 3.3.3 UMHexagonS 算法
• 3.3.4 算法流程介绍
• 3.4 仿真结果分析
• 3.4.1 仿真环境
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 FPGA 的运动估计编码模块设计
• 4.1 硬件平台及开发环境
• 4.1.1 整体开发环境的搭建
• 4.1.2 FPGA 硬件开发平台
• 4.1.3 硬件开发语言及开发环境
• 4.2 硬件验证系统整体框架
• 4.3 上层控制模块
• 4.3.1 主程序流程
• 4.3.2 程序初始化
• 4.3.3 主机与板卡的通讯
• 4.3.4 读取运动矢量
• 4.4 运动估计算法的 FPGA 实现
• 4.4.1 主程序流程
• 4.4.2 数据传输模块
• 4.4.3 通讯模块
• 4.4.4 运动估计模块
• 4.5 仿真与实验结果分析
• 4.5.1 仿真调试
• 4.5.2 系统运行情况
• 4.5.3 编码结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 下一步工作安排
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文