支持多种视频标准的运动补偿模块的设计和研究

摘要

实现视频图像压缩和解压缩的超大规模集成电路(VLSI)芯片设计已经成为多媒体核心技术之一.该文研究了国际运动图像专家组制定的MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4标准和美国DivX Networks公司开发的Divx数码影像压缩技术,针对它们所采用的压缩原理,提出了同时支持这些标准的视频解码器结构,独立完成了解码芯片中运动补偿模块的设计.该文概述了MPEG国际编码标准及其基本算法,给出了一种能同时满足这些视频标准的解码器的系统设计方案,确定了运动补偿模块的功能和接口.根据运动补偿模块的功能定义和接口方式,我们在模块的设计中提出了一些新颖的结构和算法.运动补偿模块的控制流与数据流采用分离设计的方法,控制机制采用高性能的独热码有限状态机实现,数据的运算和存储采用独立分时复用的运算单元和寄存器阵列完成.根据运动补偿解码访问存储器的特点,新创了一种视频图像在内存中的存储结构,给出了相应的映射算法.该种存储结构能够提高系统读写内存的效率,并且其映射算法简单,从而可以提高解码速度,简化电路设计.亮度运动向量直接从比特流中解码计算得出.色度运动向量的计算方法在不同MPEG标准中以及Divx标准不同版本中都存在差异.运动向量单元采用软件可配置方法设计,选用各种色度运动向量的计算模式.这种设计方法不仅易于兼容已有的各种计算方法,而且可以通过简单修改配置软件适用于以后的新版本.运动补偿模块中的采样插值不权支持传统的二分之一采样模式,还是第一个在硬件级别支持四分之一采样模式和全局运动补偿.在几乎不影响图像品质的前提下,对全局运动补偿算法进行变换,得到简化算法.利用全局运动补偿和四分之一采样模式不在同一个块内并存的特点,将两者算法分别进行分解,复用采样插值运算单元,从而降低电路面积.采样插值单元采用流水线结构设计.电路设计采用高级电路描述语言Verilog HDL描述实现,使用

目录

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第一章绪论

1.1课题的意义

1.2课题的来源

1.3课题的主要研究内容

1.4重要概念说明

1.5本章小结

第二章视频解码原理与系统设计

2.1 MPEG国际编码标准

2.2 MPEG视频的基本算法

2.3视频解码器的系统设计

2.4运动补偿模块接口

2.5本章小结

第三章运动补偿原理与结构设计

3.1运动补偿原理

3.2 MPEG图像类型

3.3运动补偿解码过程

3.4运动补偿模块结构

3.4.1设计思想

3.4.2模块结构

3.5本章小结

第四章图像存储结构及其映射算法

4.1图像和宏块格式

4.2图像的存储结构

4.3映射算法

4.4本章小结

第五章运动补偿模式及状态机设计

5.1预测方式

5.1.1场预测

5.1.2帧预测

5.1.3预测方式的分解与合并

5.2主状态机设计

5.3亮度状态机设计

5.4色度状态机设计

5.5本章小结

第六章运动向量计算及其电路设计

6.1亮度运动向量存储格式

6.2色度运动向量算法

6.3电路设计

6.4设计结果及其分析

6.5本章小结

第七章采样插值算法及其电路设计

7.1采样插值算法

7.1.1二分之一采样模式

7.1.2四分之一采样模式

7.1.3全局运动补偿模式

7.2算法的分解与合并

7.2.1二分之一模式算法分解

7.2.2四分之一模式算法分解

7.2.3全局运动补偿算法分解

7.2.4水平处理合并

7.3电路设计

7.4设计结果及其分析

7.5本章小结

第八章设计的综合与验证

8.1测试方案制定

8.1.1设计输入方式

8.1.2仿真器

8.1.3软件参考模型

8.1.4测试流程

8.2运动补偿模块的RSIM仿真

8.3视频解码器的PFGA验证

8.4逻辑综合概述

8.5设计的ASIC综合

8.6本章小结

结论

参考文献

学术论文发表情况

致谢

附录

附录1运动补偿模块ASIC综合约束文件

附录2运动补偿模块ASIC综合脚本文件

附录3 DesignWare Arithmetic Components List