AVS编码器中帧内预测与环路滤波模块的设计与实现

摘要

随着现代通信、多媒体以及网络技术的高速发展，人类获取信息的需求更为迫切。视频是人们获取外界信息的重要途径之一，但是视频信息量大，传输时需要高带宽。因此，如何有效的压缩视频信息至关重要。
　　AVS(Audio Video coding Standard)标准作为新一代的视频压缩标准，是由中国音视频编码标准专家组制定的，AVS具有知识产权清晰、技术方案简洁、性能先进、实现成本低等优点，它能够在有限的带宽下传输较高质量的视频，节省传输费用，具有广阔的应用前景。然而AVS编码器算法复杂，用软件实现难以达到编码实时性的要求。本文通过研究AVS基本档次编码器中帧内预测模块和环路滤波模块的硬件实现，对设计中出现的问题提出了有效的解决方法。本论文主要工作如下:
　　(1)设计AVS帧内预测模块:利用相邻块之间最佳预测模式相关性以及块内像素变化趋势的方向性来减少帧内预测候选模式;参考样本管理模块用于解决存储器带宽限制数据吞吐率和影响编码效率的问题;将设计的预测核心单元PE组成预测单元阵列以简化参考数据选择机制;通过脉动阵列以及移位代替乘法运算等实现复杂的Plane模式。
　　(2)设计AVS环路滤波模块:采用5级流水线结构，将复杂的滤波计算所产生的路径延时分配到5个时钟周期上，降低关键路径的延时;充分利用数据相关性，改进滤波顺序，使得滤波数据集中处理，减少对滤波子块的存取次数;为使滤波器能够处理两种边界，设计暂存/行列转置寄存器组;设计参数预计算模块，提高滤波效率;将设计的滤波计算单元做并行处理，提高滤波速度。
　　(3)采用自顶向下的设计方法，通过Verilog HDL语言完成了帧内预测模块和环路滤波模块的RTL级设计，并利用ModelSim进行功能仿真，最后对设计结果进行性能分析。结果表明，上述两个模块完全满足4CIF格式视频实时编码要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 视频标准技术的发展

1．3 视频编码器的研究现状

1．4 论文的主要工作和组织结构

第二章 AVS原理分析及设计关键技术

2．1 AVS标准简介

2．1．1 AVS标准编码框架

2．1．2 AVS标准关键技术

2．2 AVS帧内预测原理

2．2．1 AVS帧内预测模式

2．2．2 参考样本的获得

2．2．3 亮度块帧内预测

2．2．4 色度块帧内预测

2．3 AVS环路滤波原理

2．3．1 推导边界强度滤波强度BS

2．3．2 推导边界阈值

2．3．3 滤波过程

2．4 设计关键技术

2．4．1 算法优化

2．4．2 流水线技术

2．4．3 模块化设计

2．4．4 设计中需考虑的其它问题

2．5 本章小结

第三章 帧内预测模块的设计与实现

3．1 AVS帧内预测模块划分及硬件设计

3．1．1 帧内预测模式选择模块

3．1．2 参考样本管理模块

3．1．3 预测值计算模块

3．1．4 重建单元

3．1．5 控制单元

3．2 本章小结

第四章 环路滤波模块的设计与实现

4．1 环路滤波的模块划分及硬件设计

4．1．1 流水线结构设计

4．1．2 滤波顺序优化

4．1．3 AVS环路滤波并行度的提高

4．2 滤波流程控制模块

4．2．1 帧级滤波流程控制

4．2．2 块级滤波流程控制

4．3 暂存／行列转置寄存器

4．4 参数计算模块设计

4．4．1 边界强度的推导

4．4．2 滤波阈值和裁剪参数的推导

4．5 滤波计算模块

4．6 本章小结

第五章 仿真与验证

5．1 软件开发环境

5．1．1 FPGA设计流程

5．1．2 集成开发环境Quartus Ⅱ

5．1．3 仿真工具ModelSim

5．2 验证方法

5．3 验证结果及性能分析

5．3．1 帧内预测模块的仿真验证及性能分析

5．3．2 环路滤波模块的仿真验证及性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表的学术论文

附录