航天小型摄像机的视频编码器设计

摘要

随着技术的突飞猛进，在各行各业中如实时视频通信和视频流媒体方面，在航天探索宇宙的最前沿，视频压缩正发挥着不可替代的作用。并随着可编程逻辑器件的快速发展，视频压缩系统现在正朝着高速、高压缩率、高可靠性以及小型化的方向不断推进。由此以小型化为设计目标实现视频压缩正是当前研究的热点。
　　基于小型化的航天设计理念，本文完成了对摄像机的视频编码系统设计和实现。设计的系统采用FPGA实现方案，并使用外部存储器SDRAM进行数据的缓存。系统具体采用了简单高效的算法，利用流水线处理过程完成，并在实现中加入了可靠性设计，保障其在航天环境中正常工作。
　　论文的主要研究工作有：
　　首先，本文围绕视频编码器的研究，简单介绍了视频压缩的研究背景，标准在专家研究发布下不断推进的历程，并总结了标准特别是应用最广的MPEG-4和H.264的特点，以及结合本文航天编码器基于FPGA设计，阐述FPGA在该领域中投入应用的历程。
　　接着，本文介绍了视频压缩编码实现的基本原理，采用通用的混合方式，包括对时域，空间域及码字的压缩，并阐述了视频编解码器的基本框架和实现流程，这些标准采用的技术框架基本一致，具体阐述了MPEG-4和H.264不同的技术细节和实现方式，涉及的模式。
　　其次，本文研究对比了当前流行的实现架构，阐述了各个方案的优缺点。并且针对航天应用以及小型化设计的目标，编码系统确定采用FPGA架构实现。在编码器关键实现技术的理论基础上，详细阐述了基于FPGA架构的编码器实现设计流程和具体实现模块，其中CMOS传感器控制模块，自动曝光功能，编码单元对图像信号进行处理并实现图像压缩，输出压缩码流。对比常见的搜索方式，重点阐述了图像压缩部分采用的具有针对性的运动估计搜索方法，并且匹配准则采用SAD。系统通过合理利用硬件资源，阐述实现采用的模块化设计思想和灵活并行流水线技术，提高视频编码系统的处理速度。
　　最后，本系统的FPGA程序首先通过软件对各个模块和系统总体进行功能仿真，仿真正确后在硬件平台上验证，本文提出的系统满足小型化需求，并证明其具有较好的性能和处理速度。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 视频编码技术的发展

1.3 FPGA在空间应用中的发展

1.4 论文的组织与安排

第二章 视频编码器的研究

2.1 视频压缩编码基本原理

2.2 视频编解码系统框架

2.3 编码器关键技术

2.4 本章小结

第三章 宇航级小型摄像机的视频压缩系统设计

3.1 FPGA结构设计

3.2 可靠性设计

3.3 小型化摄像机视频压缩系统设计

3.4 本章小结

第四章 小型化视频编码器运动估计的FPGA实现

4.1 数据缓存处理

4.2 整像素运动估计

4.3 半像素插值

4.4 模式选择

4.5 系统实现

4.6 本章小结

第五章 结束语

参考文献

致谢

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