基于FPGA的AVS实时高清视频编码器的研究与实现

摘要

随着多媒体信息技术的发展，信息技术的迅速提高，对多媒体视频压缩图像的应用越来越广泛。音视频产品数字化、高清化成为未来消费类电子发展的大趋势。AVS标准是我国具有自主知识产权的信源编码标准，其视频标准的主要应用对象是标准清晰度／高清晰度电视。2006年2月，AVS视频标准已经正式被批准为国家标准，进入了产业化推广的阶段。作为AVS编码标准产业链上的重要一环，AVS标准清晰度／高清晰度视频编解码芯片的研发对于AVS编码标准的推广起着重要的推动作用。本文对AVS高清晰度视频编码芯片的系统架构、环路滤波模块和熵编码模块的体系结构进行了深入的研究和探讨。 本项目以实现1080i格式的AVS实时编码器为目标。通过对AVS编码器中主要模块的算法复杂度的评估，算法特点的分析，同时考虑到编码器系统的可伸缩性，可扩展性，本文设计的编码器系统架构采用了基于宏块的四级流水结构。并且提出了参考像素的多级缓存结构来减少运动估计算法对片外和片内的带宽需求，以满足编码器的实时性能。 本文给出了基于FPGA的AVS熵编码硬件实现结构。设计中，通过采用双缓冲区和流水线技术，提供高性能的并行计算能力。并且针对实时高清的特点，提出了并行Zig-Zag扫描方法及其结构，以提供高数据吞吐量。 通过分析环路滤波算法的特点，本文提出一种AVS环路滤波的硬件实现方法，采用垂直滤波和水平滤波交叉进行的滤波顺序以及利用寄存器组进行中间数据的暂存与转置，有效减少片内存储器的开销和片外存储器的访问，可实现快速滤波，满足实时高清编码的要求，可应用于AVS高清实时编解码的芯片中。 对以上设计，采用Verilog HDL语言实现它们的RTL级的设计，并且在Modelsim环境下建立测试平台，完成了仿真验证。最后整个编码器在Xilinx公司的FPGA芯片Viterx-4系列的LX200器件上完成了硬件调试，能够对高清序列（1920×1088，30fps）进行实时编码

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 研究概况

1.4 论文的主要研究内容

第二章AVS视频标准与FPGA技术概述

2.1 AVS视频编码标准的特点

2.2 AVS视频编码器结构

2.3 AVS的关键技术

2.3.1 帧内预测

2.3.2 帧间预测

2.3.3 B帧宏块编码模式

2.3.4 变换与量化

2.3.5 环路滤波

2.3.6 熵编码

2.4 FPGA技术

2.4.1 FPGA简介

2.4.2 FPGA设计流程

2.5 本章小结

第三章AVS编码器的整体架构设计

3.1 概述

3.2 AVS编码器算法分析

3.2.1 时间复杂度

3.2.2 存储复杂度

3.3 AVS编码器整体架构设计

3.3.1 整体框架

3.3.2 流水线设计

3.4 参考帧数据的存储组织

3.4.1 参考数据重用分析

3.4.2 参考数据存储体系结构

3.4.3 参考数据存储体系的性能

3.5 本章小结

第四章熵编码模块的实现

4.1 AVS视频标准的熵编码算法

4.1.1 视频序列结构

4.1.2 AVS视频标准的语法元素

4.1.3 指数哥伦布码的结构

4.1.4 指数哥伦布码与语法元素的映射关系

4.2 熵编码模块的硬件实现

4.2.1 熵编码模块的整体结构

4.2.2 主要子模块的功能

4.2.3 关键部分的设计

4.3 验证与实现结果

4.3.1 仿真平台

4.3.2 硬件的实现结果

4.4 本章小结

第五章环路滤波模块的实现

5.1 AVS环路滤波算法

5.1.1 边界强度的推导

5.1.2 一维条件滤波

5.2 AVS环路滤波的硬件实现

5.2.1 滤波顺序

5.2.2 缓存组织

5.2.3 环路滤波器的总体结构

5.2.4 环路滤波器的工作流程

5.3 验证与实现结果

5.3.1 仿真平台

5.3.2 硬件的实现结果

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 对下一步工作的建议和展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所做的项目

致谢