H.264解码器帧内预测的硬件设计与实现

论文摘要

随着多媒体信息技术和数字信号处理技术的发展,多媒体视频压缩图像的应用越来越广泛。作为最新一代的多媒体视频标准,H.264视频标准应运而生,相比与以前的MPEG系列、H.26X系列来说,H.264视频压缩标准,在同样的图像质量情况下,能大幅度地提高压缩比。应用前景非常广阔,世界上有很多公司和研究机构都投入了对这个新标准的开发和研究。由于H.264的解码复杂度很高,软件实现难以满足实时性的要求,所以解码器的设计需要采用软硬件协同工作的设计。本论文主要的工作是H.264视频解码器帧内预测模块的硬件设计和实现。论文主要分两部分:第一部分首先分析了H.264中帧内预测的模式选择算法,接着提出一种快速的Intra16×16模式选择算法和Intra4×4模式选择算法,使帧内预测的复杂度降低,同时基本保持了H.264的编码性能。第二部分为解码器帧内预测部分的硬件设计与实现。先根据视频压缩标准的特点完成整个解码系统架构的模块划分和软硬件设计划分,然后提出了帧内预测部分的总体结构设计,其中包括输入输出接口设计和内部结构设计;接着重点提出帧内预测部分的优化设计,包括帧内预测模式的优化设计和帧内预测并行的可重构设计优化,使得系统速度和复杂度及资源消耗之间达到平衡;在此基础上建立了帧内预测模型,用Verilog HDL对其进行RTL代码移植,用ModelSim进行功能仿真。仿真通过后用Xilinx ISE 8.2i的XST综合工具进行综合,综合出来最高频率能够达到192MHz,可以满足HDTV实时解码的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 视频编解码标准的发展及现状
• 1.2.1 H.261 协议
• 1.2.2 H.263，H.263+，H.263++协议
• 1.2.3 MPEG-l 协议
• 1.2.4 MPEG-2 协议
• 1.2.5 MPEG-4 协议
• 1.2.6 H.264 协议
• 1.3 课题的研究目标及意义
• 1.4 论文的主要工作和内容安排
• 第二章 视频编码技术和H.264 视频编解码标准
• 2.1 视频编码技术和方法
• 2.1.1 预测编码
• 2.1.2 变换编码
• 2.1.3 量化和反量化
• 2.1.4 之型扫描和游程编码
• 2.1.5 熵编码（Entropy）
• 2.1.6 去块效应环路滤波
• 2.2 H.264 的基本结构
• 2.2.1 码流结构
• 2.2.2 编解码结构及流程
• 2.3 H.264 关键技术介绍
• 2.3.1 帧内预测编码
• 2.3.2 帧间预测编码
• 2.3.3 整数DCT 变换和量化
• 2.3.4 去块效应滤波
• 2.3.5 熵编码
• 2.4 本章小结
• 第三章 帧内预测编码优化算法的实现
• 3.1 H.264 帧内预测算法分析
• 3.1.1 参考像素值及预测像素值的计算
• 3.1.2 帧内预测编码方法
• 3.2 帧内预测快速算法的提出
• 3.2.1 帧内预测全搜索算法
• 3.2.2 基于空间域的快速算法
• 3.2.3 基于抽样的快速算法
• 3.2.4 快速快速Intra16×16 预测的算法
• 3.2.5 快速快速Intra4×4 预测的算法
• 3.3 快速算法的验证及结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 H.264 解码器帧内预测的硬件设计
• 4.1 系统的整体架构及软硬件划分
• 4.2 解码器中帧内预测部分的总体结构设计
• 4.2.1 输入输出接口设计
• 4.2.2 帧内预测内部结构设计
• 4.2.3 帧内预测模块的工作流程
• 4.3 解码器中帧内预测部分的优化设计
• 4.3.1 解码器帧内预测模式优化设计
• 4.3.2 帧内预测并行的结构设计
• 4.3.3 帧内预测可重构单元设计
• 4.4 帧内预测算法硬件实现
• 4.4.1 RTL 设计与功能仿真
• 4.4.2 FPGA 综合结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文