AVS-s视频编码器熵编码和环路滤波模块硬件设计

摘要

近年来，随着物联网的发展和国家平安城市的大力推动，视频监控成为人们关注的热点，目前我国的主要产品采用的是MPEG4和H.264系列的标准，因为高昂的专利费用，使之成为我国安防领域的一颗隐形炸弹。在这样的背景下，为视频监控专门定制的监控标准AVS-s开始由AVS工作组和国家公安部联合推出。本文对AVS-s编码器的结构、熵编码模块和环路滤波模块进行了深入的探讨和研究。
　　本文首先讲述了视频监控的发展现状，确定了本文的研究意义。接着对我国的AVS-s标准进行系统的描述与分析，着重介绍AVS-s的关键技术，然后再对熵编码模块进行重点分析，包括算法逻辑以及RTL级的硬件实现。在该模块中将码表切换、码字计算和指数哥伦布编码设计成三级流水线并行处理单元，利用并行zig-zag扫描，加快了处理速度，同时采用组合逻辑实现码表查找和设计码长确定器的措施，节省了硬件资源。接着详细分析了AVS-s环路滤波算法，并且根据其特点，改进了传统的滤波顺序，利用RAM加寄存器组进行数据缓存的方法，降低了存储带宽，提高了滤波速度。
　　用硬件描述语言VerilogHDL完成电路设计之后，深入分析了AVS-s视频标准的参考软件模型，提取出参考软件中熵编码模块和环路滤波模块的输入输出码流，将输入码流分别加载到熵编码模块和环路滤波模块，得到仿真结果后，与提取出的输出码流进行比较，验证设计的功能。再利用Synopsys公司的DC工具对设计进行综合，得到综合报告，并利用Synopsys公司的Formality工具对设计进行形式验证，最后分析了本设计的性能。
　　验证结果表明这两部分设计满足AVS-s实时编码的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 论文主要内容及结构

第二章 AVS-s视频标准介绍

2．1 AVS-s编码器系统框架

2．2 AVS-s视频标准关键技术

2．2．1 背景帧

2．2．2 灵活条带集

2．2．3 核心帧

2．2．4 帧内预测

2．2．5 帧间预测

2．2．6 整数变换与量化

2．2．7 熵编码

2．2．8 环路滤波

第三章 熵编码模块设计

3．1 AVS-s熵编码算法

3．1．1 AVS-s语法描述

3．1．2 zig-zag扫描

3．1．3 熵编码模块用到的编码模式

3．1．4 语法元素与指数哥伦布码字的映射关系

3．2 AVS-s熵编码的硬件实现

3．2．1 并行zig-zag扫描和游程编码

3．2．2 码表切换模块

3．2．3 码字索引计算模块

3．2．4 指数哥伦布编码模块

3．2．5 流水线设计

3．2．6 码长确定器

3．2．7 码流输出

3．3 本章小结

第四章 环路滤波模块的实现

4．1 AVS-s环路滤波算法

4．1．1 边界强度的推导

4．1．2 块边界阈值的推导过程

4．1．3 Bs=2时的滤波过程

4．1．4 Bs=1时滤波过程

4．2 AVS-s环路滤波的硬件实现

4．2．1 改进滤波顺序

4．2．2 片内RAM存取方案

4．2．3 环路滤波器的整体架构

4．2．4 AVS-s环路滤波器工作步骤

4．3 本章小结

第五章 熵编码模块和环路滤波模块的仿真、综合与验证

5．1 功能验证

5．1．1 验证介绍

5．1．2 功能验证的方法

5．1．3 熵编码模块和环路滤波模块的验证方法

5．1．4 熵编码模块的仿真结果

5．1．5 环路滤波模块的仿真结果

5．2 逻辑综合

5．2．1 逻辑综合介绍

5．2．2 熵编码模块综合结果

5．2．3 环路滤波模块综合结果

5．3 形式验证

5．3．1 形式验证介绍

5．3．2 形式验证结果

5．4 设计性能分析

5．5 本章小结

第六章 论文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文