面向低功耗H.264编码的参考帧有损压缩算法的设计及硬件实现

摘要

近年来，随着多媒体和物联网的发展，H.264编码器被广泛的应用于视频监控系统、可穿戴设备等。在H.264编码器性能不断提升、功耗持续降低的同时，编码器进行帧间预测时的存取功耗日益增加，占据了编码系统总功耗的60％甚至更多。将参考帧压缩可以降低存储的数据量，进而降低存取功耗。在不同的压缩技术中，有损压缩因其可以减少大量的存储数据成为人们的研究热点。
　　本文首先介绍了各种有损压缩算法，并以标准测试图片为基准验证了这些算法，得出了I-ADPCM算法是目前压缩率相同情况下有损压缩算法中性能最好的算法的结论。针对I-ADPCM算法无法很好预测复杂图片的问题，本文对于像素的亮度分量，增加了7种4×4小块的定向预测模式和1种非定向预测模式，减少了预测误差;对于原算法最佳预测模式选取不准确的缺陷，本文改进了模式选取方法，将量化值最小原则和关键残差最小原则结合，提高了最佳预测模式的选取命中率。在硬件设计上，对编码器和解码器进行了流水线设计和并行化设计，使得编码系统可以在不增加时钟频率的情况下完成480p@30fps的编码。为了降低编码器和解码器的功耗，本文在系统级和SRAM级进行了细粒度门控时钟的设计，使得编码器功耗降低了15.4％，解码器功耗降低了9.6％。
　　本文最后对参考帧编码器和解码器进行了功能验证和功耗分析。在参考帧压缩率为50％的情况下，Y分量的平均信噪比降低了0.204dB。在编码速率480p/30fps情况下，由于参考帧存取的数据量降低了一半，H.264编码系统的SDRAM存取功耗下降了44.2％，整个编码系统能耗仅为3.9nJ/pixel。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 H．264编码的片外存储器功耗

1．1．2 参考帧压缩方法

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要内容和设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 图像有损压缩算法的原理与分析

2．1 图像有损压缩原理

2．1．1 图像压缩的可行性

2．2 图像质量的评判方法

2．2．1 图像质量的主观准则

2．2．2 图像质量的客观准则

2．3 常用的图像有损压缩算法

2．3．1 JPEG

2．3．2 JPEG-LS

2．3．3 JPEG-2000

2．4 适合于参考帧压缩的图像有损压缩算法及性能分析

2．4．1 参考帧压缩算法

2．4．2 JPEG算法作为参考帧压缩算法的性能分析

2．4．3 ERP算法作为参考帧压缩算法的性能分析

2．4．4 MMSQ算法作为参考帧压缩算法的性能分析

2．4．5 I-ADPCM算法作为参考帧压缩算法的性能分析

2．5 本章小结

第三章 H．264参考帧有损压缩算法的设计

3．1 I-ADPCM算法的不足

3．1．1 I-ADPCM预测模式的不足

3．1．2 I-ADPCM模式选取方法的不足

3．2 I-ADPCM算法的改进

3．2．1 预测模式的设计

3．2．2 模式选取方法的设计

3．3 算法在JM8．6模型中的实现及结果分析

3．3．1 算法的整体架构及C模型的实现

3．3．2 算法验证及结果分析

3．4 本章小结

第四章 H．264参考帧有损压缩算法的硬件设计与验证

4．1 H．264系统整体架构及参考帧编／解码器的设计

4．1．1 H．264系统整体架构

4．1．2 参考帧编码器设计分析

4．1．3 参考帧解码器设计分析

4．2 参考帧编码器的设计

4．2．1 参考帧编码器整体结构设计

4．2．2 DATA In模块设计

4．2．3 DPCM IP模块设计

4．2．4 Package IP模块设计

4．2．5 System Control模块设计

4．2．6 参考帧编码器细粒度门控时钟设计

4．3 参考帧解码器的设计

4．3．1 参考帧解码器整体结构设计

4．3．2 Decoder IP模块设计

4．3．3 System Control模块设计

4．3．4 参考帧编码器细粒度门控时钟设计

4．4 设计验证与结果分析

4．4．1 验证方法

4．4．2 仿真环境搭建

4．4．3 功能验证

4．4．4 仿真结果对比分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文主要工作

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介