基于FPGA的AVS编码器中帧内预测和环路滤波模块的设计与实现

论文摘要

随着信息技术和数字信号处理技术的发展,多媒体视频压缩技术的应用得到了快速发展。视频图像压缩技术因此得到了越来越多的重视。AVS （Audio Video coding Standard）标准是我国提出的第一个具有自主知识产权的音视频编解码标准,它主要应用于标准清晰度电视（SDTV）、高清晰度电视（HDTV）以及诸多视频处理领域。与H.264/AVC相比,AVS具有诸多优点,比如：知识产权清晰、编解码算法复杂度相对简单、视频压缩性能优越等。AVS标准采取了大量的新技术,包括：帧内预测、可变块大小的运动补偿、1/4像素精度插值、反整数余弦变换和上下文自适应二进制算术编码等。AVS标准是一套由系统、视频、音频、媒体版权管理等构成的的完整标准体系,能提供全面的音视频编解码解决方案。本课题是基于FPGA的AVS编码器中帧内预测和环路滤波模块的设计与实现。采用的硬件平台是Xilinx公司的Virtex-5系列XC5VFX100T FPGA。首先简要介绍了AVS标准和FPGA的基本知识,之后着重讨论、设计了AVS标准中帧内预测和环路滤波算法及其硬件实现方法。并对该设计进行了仿真验证,最终在FPGA上实现其功能。本文首先对AVS帧内预测算法进行了优化设计,针对亮度预测部分提出了一种快速有效的帧内预测模式快速选择算法,并对快速算法进行了进一步简化,去除了arctan（）、除法等不适合FPGA硬件设计的复杂运算。并针对改进算法,对亮度预测模块进行了硬件实现设计。色度预测部分则采用基于流水线技术的硬件设计方法,提高了编码效率。此外,对预测块求取单元的硬件设计也做了诸多工作与改进。并通过仿真、验证及上板测试,证明了该设计的有效性、可行性及正确性。通过验证证明,本设计模块占用了XC5VFX100T FPGA中近10%的资源,工作频率可达146MHz,满足了实时高清编解码的要求。在AVS环路滤波算法基础上,本文提出了一个更有效的硬件实现结构。对边界滤波顺序进行了改进优化,采用了垂直边界和水平边界交叉滤波的滤波顺序。在设计中增加了部分存储器的使用,保存中间数据,可以减少系统与外部存储器之间读写次数,提高了编码效率。在滤波数据求取单元,引入了乒乓存储结构和流水线设计,进一步提高滤波效率。通过仿真验证得知,本设计滤波数据正确,模块工作频率能达到150Mhz以上,处理一个宏块仅需320周期左右,能够满足高清实时编解码的要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 视频编解码技术研究背景
• 1.1.1 视频编解码标准的发展背景
• 1.1.2 FPGA技术发展背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 论文内容与安排
• 第二章 AVS标准及FPGA开发工具简介
• 2.1 AVS标准及其关键技术概述
• 2.1.1 AVS标准编码框架
• 2.1.2 AVS标准关键技术
• 2.2 FPGA及其系统开发工具简介
• 2.2.1 FPGA简介
• 2.2.2 FPGA设计流程
• 2.2.3 Xilinx公司Virtex-5系列FPGA简介
• 2.2.4 系统开发软件简介
• 第三章 AVS帧内预测模块设计
• 3.1 AVS帧内预测算法概述
• 3.1.1 AVS帧内预测模式
• 3.1.2 帧内预测参考样本的获得
• 3.1.3 帧内预测块的计算
• 3.2 AVS帧内预测模式快速选择算法
• 3.2.1 帧内预测模式快速算法提出
• 3.2.2 帧内预测模式快速算法验证
• 3.3 AVS帧内预测硬件模块设计
• 3.3.1 帧内预测模块总体设计
• 3.3.2 亮度帧内预测硬件设计
• 3.3.3 色度帧内预测硬件设计
• 3.3.4 AVS残差数据输出模块
• 3.3.5 AVS重构模块
• 3.4 仿真验证
• 3.4.1 仿真验证平台及步骤
• 3.4.2 仿真验证结果
• 第四章 AVS环路滤波模块设计
• 4.1 AVS环路滤波算法
• 4.1.1 边界滤波强度Bs的计算
• 4.1.2 边界滤波门限的计算
• 4.1.3 滤波数据的计算
• 4.2 AVS环路滤波硬件模块设计
• 4.2.1 滤波顺序的改进
• 4.2.2 滤波模块实现框图
• 4.2.3 滤波流程
• 4.3 AVS环路滤波器仿真验证
• 4.3.1 仿真验证平台及步骤
• 4.3.2 仿真验证结果
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表