视频编码芯片系统的设计与研究

论文摘要

近年来,多媒体己经普及到千家万户。相应的数字视频处理技术逐渐成熟,且在视频通信等领域得到日益广泛的应用。实现视频编解码的IC芯片成为多媒体应用的核心技术之一,同时也是研究热点。因此视频编码芯片的研究具有广泛的应用价值和前景。在这种背景下,本文提出一种H.264视频编码芯片系统设计方案,并基于FPGA设计了H.264视频编码芯片系统的整体结构,重点对DCT变换、量化、RGB到YUV格式转换等几个重要功能模块进行设计和功能仿真。另外还对帧内预测、帧间预测等模块进行分析研究,总结其性能和特点,提出设计方案。在Altera公司提供的现成IP核的基础上,完成了视频编码芯片中几个主要功能模块的设计。在合理利用硬件资源的条件下,对其中功能模块算法进行尝试性的改进,简化了相应功能模块算法。这对提高视频压缩速度,减少占用逻辑单元数量有重要的意义。本设计中的各功能模块都在QuartusⅡ平台上进行了综合和仿真。DCT变换和量化模块调用了优化的IP核,简化了系统复杂度,消耗了较少的FPGA硬件资源,提高了系统的性能;速度和资源利用率方面达到了较优状态,一定程度上满足了当前H.264视频编码要求。特别是DCT模块采用了一维DCT复用技术,简化了结构,节约了资源。量化模块设计中,采用量化系数分“等级”的方法。该方法省去了传统的rom.hex查找表,节省了查找时间和存储资源。各模块在保证功能的前提下,简化了结构和内部算法,对系统性能是一种提升。仿真的结果表明,各模块很好的实现了各自的功能。基于FPGA的视频编码系统方案具有广泛的应用价值。如果它能完全地用硬件实现,将大大降低成本,同时会加大编码效率增强编码的实时功能。随着IC集成速度成倍增长,提高视频编码芯片系统性能的设计与研究将会是永无止境的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 课题研究目标
• 1.4 课题设计思路和方案
• 1.5 论文的主要内容和安排
• 第二章 设计的开发工具及其技术概述
• 2.1 ALTERA 公司的QUARTUSⅡ开发软件
• 2.2 硬件开发语言
• 2.3 IP 核简介
• 2.4 硬件系统设计流程
• 2.5 硬件的验证技术
• 第三章 视频编码技术及系统设计方案
• 3.1 视频编码技术与标准
• 3.1.1 国际系列视频编码标准的介绍
• 3.1.2 H.264 的主要编码技术
• 3.1.3 视频编码流程
• 3.2 总体设计方案
• 3.2.1 视频编解码芯片的硬件设计仿真要求
• 3.2.2 视频编码芯片系统的总体设计
• 3.3 基于H.264 帧内预测编码模块分析及研究
• 3.3.1 基于H.264 帧内预测编码基本原理
• 3.3.2 H.264 帧内预测编码模式
• 3.3.3 帧内预测模块硬件设计的研究
• 3.4 帧间预测编码
• 3.4.1 多种大小块的匹配
• 3.4.2 运动矢量精度和像素内插
• 3.4.3 运动估计
• 3.4.4 多参考帧的选取
• 3.4.5 运动补偿
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于H.264 视频编码系统主要模块的设计与研究
• 4.1 格式转换模块的设计
• 4.1.1 RGB 与YUV 转换原理研究
• 4.1.2 RGB 转换为YCrCb 的模块设计
• 4.1.3 设计小结
• 4.2 基于H.264 的DCT 变换模块的设计
• 4.2.1 离散余弦变换DCT 变换理论的研究
• 4.2.2 一维离散余弦变换
• 4.2.3 二维离散余弦变换
• 4.3 基于H.264 的DCT 的FPGA 实现
• 4.3.1 基于4×4 模块的算法描述
• 4.3.2 4×4 DCT 内部系统结构的设计
• 4.3.3 DCT 主要功能仿真与验证
• 4.3.4 DCT 设计小结
• 4.4 量化模块的理论研究
• 4.4.1 H.264 视频编码的量化过程
• 4.5 量化模块内部系统结构设计
• 4.5.1 量化的流程设计
• 4.5.2 DCT 系数的判定及量化步长的处理
• 4.5.3 功能仿真与验证
• 4.5.4 量化调整部分的设计
• 4.5.5 量化模块设计小结
• 4.6 本章设计小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 所使用的新技术新方法
• 5.3 需要完善的工作
• 5.4 前景展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文