高吞吐量的CAVLC构架分析及其FPGA实现

摘要

H.264/AVC，也称为MPEG-4的第十部分，是由ITU-T和ISO/IEC共同提出来的新一代视频编码标准。相对于以前的标准，H.264在压缩比和编码失真的控制上都有明显的改善，同时具有较好的网络亲和性。在相同的品质下，H.264拥有令人满意的压缩比，它的比特率分别为MPEG-2的2/5和MPEG-4的3/5。H.264的应用范围很广泛，比如说高清晰度的DVD、数字电视、数字摄影机、视频电话，电话会议等等。但是它的编码复杂度使得它实时编码的应用受到很大的挑战，软件编码的方式不能满足其实时编码的要求，用硬件方式实现H.264的实时编码成为研究的热点。熵编码是H.264标准中的一项关键技术，用来对残差数据进行进一步的压缩。在H.264标准中熵编码有两种方式，CABAC（context-based adaptivebinary arithmetic coding）和CAVLC(context-based adaptive variable length coding)。
　　 作者在全面学习H.264视频编码标准的基础上，对CAVLC编码算法做了深入的研究。本文以提高编码器的性能和吞吐量为目标，对CAVLC编码算法和硬件的实现结构作了优化。优化的方法如下:1整体结构优化，对整体的硬件结构做合理的规划，使编码器使用较少的时钟个数完成残差数据的编码;2统计系数优化，同时统计两个系数，减少了统计所需要的时钟数目;3查找表消除法，将一些有规律的表格用较为简单的算术表达式来代替，达到减少硬件资源占用的目的;4预测编码level元素，在统计阶段就开始对需要编码的非零系数进行预测编码，减少level系数编码在编码阶段占用的时间。
　　 作者用VHDL语言对编码器进行描述，使用了modelsim进行仿真，quartus进行综合，并且在FPGA开发板上验证了其功能。结果表明，该编码器较其它研究学者提出的编码器在吞吐量方面有明显的提高。在适当的条件下，该编码器可以作为视频编码系统中的子模块在116M的时钟频率下完成Y∶U∶V为4∶2∶0的1080P@60fps视频的实时编码。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 视频压缩技术的发展历史

1．2．1 H．26x系列标准

1．2．2 MPEG系列标准

1．2．3 H．264／AVC编码标准

1．2．4 AVS标准

1．3 H．264视频编码技术的研究及应用现状

1．3．1 视频编码技术的研究现状

1．3．2 视频编码技术的应用现状

1．4 论文结构

第二章 H．264视频编码技术

2．1 H．264标准概述

2．2 H．264的关键技术

2．2．1 可变块大小运动补偿

2．2．2 1／4像素采样精度的运动补偿

2．2．3 多参考帧的运动补偿

2．2．4 双向预测

2．2．5 加权预测

2．2．6 帧内预测

2．2．7 去方块滤波

2．2．8 变换和量化

2．2．9 熵编码

2．3 H．264的档次和级

2．4 与其它的视频编码标准的比较

2．4．1 编码方法

2．4．2 编码效率的比较

2．5 本章小结

第三章 CAVLC编码

3．1 变换和量化后残差数据块的特点

3．2 CAVLC中的语法元素介绍

3．3 CAVLC的编码过程

3．3．1 Z字形逆序扫描

3．3．2 coeff_token的编码

3．3．3 拖尾系数trailingones的编码

3．3．4 幅值level的编码

3．3．5 total_zeros的编码

3．3．6 run_before的编码

3．4 CAVLC编码的自适应特点

3．5 CAVLC编码实例

3．6 本章小结

第四章 CAVLC编码器的FPGA设计

4．1 CAVLC编码器的整体构架分析

4．2 CAVLC编码器的优化设计

4．2．1 整体结构优化

4．2．2 level元素预测编码

4．2．3 统计系数优化

4．2．4 查找表消除

4．3 Z字形逆序扫描控制模块

4．4 统计模块

4．5 编码模块

4．5．1 NC模块和coeff_token编码模块

4．5．2 trailingones编码模块

4．5．3 level编码模块

4．5．4 total_zeros编码模块

4．5．5 run_before编码模块

4．6 码字拼接模块

4．7 系统性能分析

4．7．1 系统仿真

4．7．2 系统综合结果分析

4．7．3 开发板验证

4．8 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录1：攻硕期间从事的科研工作及取得的成果