基于H.264的视频编码算法研究与FPGA实现

论文摘要

近年来,随着宽带网络的普及和多媒体技术的发展,视频压缩编码技术成为人们研究的热点。国际电信联盟和国际标准化组织提出了一系列的视频编码的国际标准。2003年,H.264视频编码标准正式被推出,同以往的标准相比,在相同图像质量的前提下,H.264标准有更高的编码压缩效率,同时还具有良好的网络适应性和抗误码特性等。运动估计是视频压缩编码中的一项关键技术,采用运动估计和运动补偿技术可以消除视频信号的时间冗余以提高编码效率。因此,找到一种快速,性能优良的运动估计算法一直是视频压缩编码的研究热点。本文首先对视频编码的基本原理进行了简单的阐述,着重对H.264标准进行了较为系统的介绍,包括编解码流程,主要框架及采用的具体技术等,这是整个论文的理论基础。然后本文讨论了块匹配运动估计理论及其主要技术指标,在深入研究现有的快速运动估计算法的基础上提出了一种性能和硬件实现难易度综合指标较高的混合二步搜索运动估计算法(MTS)。该算法在第一步粗搜索的基础上增加了小菱形搜索模板来加强中心区域的搜索,以此提高在中心点附近小运动估计效果,根据匹配误差准则可以更好地找到最佳匹配块。将该算法应用于JM软件参考模型中,对平均峰值信噪比(PSNR)、编码时间和比特率(Bit rate)三项指标进行了测试,结果表明,相对于全搜索和三步搜索算法,MTS算法提高了编码速度,节约了运动估计的时间,具有更好的搜索性能。最后本文研究了针对混合二步搜索运动估计算法(MTS)的硬件实现结构,该算法具有规则和均匀的数据流,与全搜索算法具有某些共性。因此,在已有的用于全搜索算法实现的YANG结构的基础上进行了改进,设计了符合混合二步搜索运动估计算法要求的FPGA实现结构。对实现该算法的运动估计模块进行了划分,主要包括:片内存储器,片内存储控制器,运算阵列功能模块,SAD比较模块等几部分。运用Verilog硬件描述语言设计并实现了各功能模块,并使用Quartus II进行了功能仿真,最后得到了各模块的RTL级电路图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 视频压缩编码基本原理
• 1.2.1 变换编码
• 1.2.2 预测编码
• 1.2.3 矢量量化
• 1.2.4 熵编码
• 1.3 视频压缩编码标准发展状况
• 1.3.1 MPEG 系列标准
• 1.3.2 H.26x 系列标准
• 1.3.3 AVS 标准
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文的结构安排
• 2 视频压缩标准H.264 概述
• 2.1 H.264 标准介绍
• 2.2 H.264 编解码流程
• 2.3 H.264 标准的主要框架
• 2.4 H.264 标准的具体技术
• 2.4.1 帧内预测
• 2.4.2 帧间预测
• 2.4.3 整数DCT 变换
• 2.4.4 熵编码
• 2.5 本章小结
• 3 H.264 运动估计算法研究
• 3.1 运动估计基本原理
• 3.2 块匹配运动估计技术指标
• 3.2.1 分块大小的确定
• 3.2.2 估计精度
• 3.2.3 块匹配准则
• 3.2.4 搜索策略
• 3.3 典型的块匹配运动估计算法
• 3.3.1 全搜索算法（FS）
• 3.3.2 三步搜索法（TSS）
• 3.3.3 钻石搜索法（DS）
• 3.3.4 六边形搜索法（HEXBS）
• 3.3.5 混合非对称十字多六边形搜索算法（UMHexagonS）
• 3.4 混合二步搜索运动估计算法（MTS）
• 3.4.1 算法的理论基础
• 3.4.2 算法的描述
• 3.4.3 实验研究及性能分析
• 4 FPGA 实现 H.264 运动估计模块设计
• 4.1 数字系统设计方法
• 4.1.1 现场可编程门阵列（FPGA）
• 4.1.2 FPGA 的设计方法
• 4.1.3 硬件描述语言
• 4.1.4 面向FPGA 的EDA 开发工具
• 4.2 MTS 算法的FPGA 实现架构设计
• 4.3 运动估计模块的FPGA 设计与实现
• 4.3.1 片内存储单元功能模块
• 4.3.2 片内存储控制器
• 4.3.3 运算阵列功能模块
• 4.3.4 SAD 比较模块
• 4.3.5 第二步搜索模块
• 4.4 本章小结
• 5 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文