基于FPGA的H.264视频编码器设计

论文摘要

随着多媒体编码技术的发展,视频压缩标准在很多领域都得到了成功应用,如视频会议（H.263）、DVD（MPEG-2）、机顶盒（MPEG-2）等等,而网络带宽的不断提升和高效视频压缩技术的发展使人们逐渐把关注的焦点转移到了宽带网络数字电视（IPTV）、流媒体等基于传输的业务上来。带宽的增加为流式媒体的发展铺平了道路,而高效的视频压缩标准的出台则是流媒体技术发展的关键。H.264/AVC是由国际电信联合会和国际标准化组织共同发展的下一代视频压缩标准之一。新标准中采用了新的视频压缩技术,如多模式帧间预测、1/4像素精度预测、整数DCT变换、变块尺寸运动补偿、基于上下文的二元算术编码（CABAC）、基于上下文的变长编码（CAVLC）等等,这些技术的采用大大提高了视频压缩的效率,更有利于宽带网络数字电视（IPTV）、流媒体等基于传输的业务的实现。本文主要根据视频会议应用的需要对JM8.6代码进行优化,目标是实现基于Baseline的低复杂度的CIF编码器,并对部分功能模块进行电路设计。在设计方法上采用自顶向下的设计方法,首先对H.264编码器的C代码和算法进行优化,并对优化后的结果进行测试比较,结果显示在图像质量没有明显降低的情况下,H.264编码器编码CIF格式视频每秒达到15帧以上,满足了视频会议应用的实时性要求。然后,以C模型为参考对H.264编码器的部分功能模块电路进行设计。采用Verilog HDL实现了这些模块,并在Quartus II中进行了综合、仿真、验证。主要完成了Zig-zag扫描和CAVLC模块的设计,详细说明模块的工作原理和过程,然后进行多组的仿真测试,结果与C模型相应部分的结果一致,证明了设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 视频压缩技术及其芯片的国内国外研究现状
• 1.3 视频压缩原理
• 1.4 主要的视频压缩技术
• 1.4.1 预测编码
• 1.4.2 变换编码
• 1.4.3 统计编码
• 1.5 基于混合编码框架的视频编码器
• 1.6 视频质量评估
• 1.7 本文主要内容及创新点
• 第二章 H.264/AVC 标准及其新技术
• 2.1 视频编码标准发展历程
• 2.2 H.264 标准概述及特点
• 2.3 帧间预测
• 2.3.1 树型结构的运行补偿
• 2.3.2 运动矢量
• 2.3.3 运动矢量的空间域预测
• 2.4 帧内预测
• 2.4.1 帧内4×4 预测模式
• 2.4.2 帧内16×16 预测模式
• 2.4.3 帧内8×8 色度预测模式
• 2.5 变换与量化
• 2.5.1 整型变换和反变换
• 2.5.2 量化
• 2.6 Z 扫描
• 2.7 熵编码
• 2.7.1 指数哥伦布编码
• 2.7.2 基于内容自适应的变长编码（CAVLC）
• 2.7.3 基于上下文的自适应二进制算法编码（CABAC）
• 2.8 去块效应滤波器
• 2.9 本章小结
• 第三章 C MODEL 的算法与代码的优化
• 3.1 编码复杂度分析
• 3.2 H. 264 编码器算法选项及算法优化
• 3.2.1 多参考帧的选择
• 3.2.2 宏块划分模式的选择
• 3.2.3 帧间模式选择快速算法
• 3.3 编码器C 代码的优化
• 3.3.1 输入输出优化
• 3.3.2 循环的优化
• 3.3.3 数学运算的优化
• 3.3.4 条件语句的优化
• 3.3.5 函数嵌套优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于FPGA 的视频编码器模块设计与仿真
• 4.1 QuartusⅡ 与 DE Ⅱ 开发板简介
• 4.2 FPGA 设计流程
• 4.3 H.264 视频编码器整体框架
• 4.4 Zig-zag 扫描模块
• 4.5 CAVLC 模块设计
• 4.5.1 CAVLC 编码算法介绍
• 4.5.2 CAVLC 模块设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 对今后工作的建议与展望
• 参考文献
• 致谢