电视制导系统中视频图像压缩优化设计及实现研究

论文摘要

电视制导是当今应用较为广泛的一种精确制导方式,其关键技术就是视频信号的传输。传统的模拟信号因其所需带宽较宽、易受干扰等缺点而逐渐被数字信号所取代。为了获取高质量的实时视频图象并克服数字视频传输所带来的数据量大的问题,必须进行图象数据的压缩。为此,本文研究并实现了基于H.264视频编码标准的数字电视制导系统的图象子系统。首先,本文中研究了当今最新的各种国际标准视频压缩算法,主要包括MPEG系列和H.26X系列,尤其是当今最新的H.264视频压缩标准;深入研究和分析了H.264编码的基本框架,其支持的图象结构以及它压缩后传输的码流格式;研究了H.264标准的关键处理模块,帧内/帧间预测模式、整数DCT变换、量化、熵编码和环路滤波,并为其在硬件系统上实时实现做了较为深入的理论研究。其次,对H.264中运动估计算法进行了研究。研究了运动估计和补偿算法的基本原理,对现有的快速运动估计算法分析了其各自的优劣。在此基础上,提出了改进的基于运动矢量概率分布运动估计搜索法(PBS),在试验中使用多种不同类型的视频序列,针对不同的信道传输码率,使用不同的预测、补偿方法,并对其结果进行了分析。然后,在研究H.264算法的基础上,结合实际系统在处理时间和功耗上的要求,根据系统的需要对视频编码端和视频解码端分别进行了模块化设计,其主要模块有视频采集模块、编码模块、信道数据流组织模块、解码模块和视频显示模块。在硬件设计的基础上,又对系统程序进行了项目级、函数级和语句级的优化,最终实现了大大提高视频压缩的速度,达到了系统设计的要求。具有稳定性强,实现灵活,维护方便的特点。最后,基于FPGA设计实现了以方向梯度为判据的帧内预测快速算法,并优化了算法和电路设计的结构,达到了高速处理的目的。系统通过模拟仿真验证了其正确性。硬件实验表明,该设计结构具有较高的吞吐率和运行频率,结构简洁,采用流水线设计,便于后期进一步级联增加处理功能而不影响最高频率。整体设计具有极高的运算速度,fmax达到65.80Mhz,每秒可完成468.95帧(CIF)图像的帧内预测,完全满足实时性要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及目的意义
• 1.2 数字图像压缩基本原理及视频压缩标准概述
• 1.2.1 JPEG 系列图象压缩标准
• 1.2.2 MPEG 系列图象压缩标准
• 1.2.3 H.26X 系列图象压缩标准
• 1.3 图象及视频压缩硬件处理平台的研究现状
• 1.3.1 专用图象处理器
• 1.3.2 可编程图象处理器
• 1.3.3 在可编程硬件（FPGA）上实现
• 1.4 基于DSP 的优化技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 H.264 视频编码标准概述
• 2.1 H.264 视频编码标准的产生历史与特性
• 2.2 H.264 视频编码标准的基本原理
• 2.3 H.264 视频编码标准的技术特点以及优势
• 2.3.1 独特的帧内预测模式
• 2.3.2 灵活的帧间预测模式
• 2.3.3 整数DCT 变换与量化
• 2.3.4 简洁的熵编码
• 2.3.5 环路滤波
• 2.4 本章小结
• 第3章 H.264 视频压缩的运动估计算法优化研究
• 3.1 运动估计的基本原理
• 3.2 对于运动估计改进的必要性
• 3.3 运动估计中的关键问题
• 3.4 现有运动估计算法分析
• 3.4.1 全搜索法
• 3.4.2 三步法
• 3.4.3 钻石法
• 3.4.4 各经典算法分析比较
• 3.5 运动估计算法的各关键要素
• 3.5.1 搜索策略
• 3.5.2 块匹配准则
• 3.6 基于概率分布的自适应模板运动估计
• 3.6.1 运动估计搜索模板
• 3.6.2 块匹配准则
• 3.7 实验结果及分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 H.264 视频压缩的实现及优化研究
• 4.1 电视制导系统实现及优化
• 4.1.1 电视制导系统概述
• 4.1.2 电视制导系统视频压缩优化
• 4.1.3 实际系统程序优化结果
• 4.2 基于FPGA 高速实现的H.264 帧内预测的研究
• 4.2.1 FPGA 简介及基于FPGA 实现的H.264 帧内预测的必要性
• 4.2.2 基于梯度的帧内预测原理
• 4.2.3 基于梯度的帧内预测快速算法步骤
• 4.2.4 系统实现的概述
• 4.2.5 各关键功能模块
• 4.2.6 实验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢