基于FPGA的H.264/AVC CAVLC熵编码的可重构设计与实现

摘要

随着数字视频技术的迅速发展，视频压缩变得越来越广泛，然而人们对视频压缩技术的要求也越来越高。近年来国际上相继推出了MPEG-4及H.264/AVC视频压缩标准，它对未来的数字电视、无线视频等产业的发展起到了巨大的推动作用。
　　H.264/AVC标准是当前最主流的视频压缩标准，它具有适用范围广、能满足不同速率等优点，与先前的标准相比，编码效率有了显著提高。H.264中包括两种熵编码：基于上下文的可变长编码(CAVLC)及基于上下文的自适应算术编码(CABAC)。本文主要研究的是CAVLC，它能够根据之前编码的数据在相对应的码表中进行自适应的选择，找出和当前编码数据统计特性最匹配的一个码表进行编码。
　　动态部分可重构(Dynamic Partial Reconfiguration，DPR)是目前主流的可重构技术，也是研究的热点。通过动态部分可重构技术实现硬件电路具有速度快、资源利用率高等优点。本文的课题是对H.264/AVC视频编码标准中基于上下文编码算法的研究以及可重构模块的设计与实现。主要完成的工作如下所示：
　　(1)简要介绍了视频压缩的概念和H.264编码标准的发展历史及关键技术。深入研究了H.264编解码过程，尤其是CAVLC编解码中的元素和实现流程。
　　(2)对FPGA的概念、编程技术进行了简单的回顾。深入理解了FPGA的内部结构和设计流程。在分析了FPGA可重构概念、原理之后，按配置方式的不同，对可重构技术进行了分类，并对它们进行了比较，指出了其中的优缺点，最终本文选择了EAPR设计方法。
　　(3)简要介绍了硬件描述语言及发展趋势，在此基础上用Verioog HDL语言编写了CAVLC编解码的可重构模块，并进行了综合验证。因为传统的查找表比较繁琐，所需的逻辑资源比较多，因此，本设计采用了基于“子表”的查找方法和与检查第一个“1”的位置相结合的方法进行查表(将表的每一列作为一个状态，然后按照不同方法继续划分)，加快了查找速度、节约了资源。
　　(4)在掌握了EAPR设计流程和技术之后，作者以Xilinx公司的VirtexⅡ ProXC2VP30器件为开发平台，提出了一种将H.264中的CAVLC编解码通过动态部分可重构技术实现的方法，并最后通过实例进行验证，通过分析实验数据，得出了可重构的优势。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的组织结构

第二章 视频编码标准

2.1 视频压缩

2.2 视频编码标准的发展历史

2.2.1 H．26x标准

2.2.2 MPEG标准

2.2.3 H．264/AVC标准

2.2.4 AVS标准

2.3 H．264视频压缩标准

2.3.1 H．264算法的分层设计

2.3.2 H．264/AVC编解码器

2.3.3 H．264/AVC关键技术

2.4 本章小结

第三章 CAVLC简介

3.1 UVLC

3.2 CAVLC中的语法元素

3.3 CAVLC原理分析

3.4 CAVLC编码过程

3.5 CAVLC解码过程

3.6 CAVLC和UVLC的比较

3.7 本章小结

第四章 FPGA与可重构技术

4.1 FPGA简介

4.1.1 FPGA编程技术

4.1.2 FPGA结构

4.1.3 FPGA设计流程

4.2 可重构概念和原理

4.2.1 静态可重构和动态可重构

4.2.2 动态部分可重构

4.3 本章小结

第五章 可重构模块设计与综合

5.1 ISE FOUDATION

5.2 硬件描述语言

5.2.1 硬件描述语言的发展趋势

5.3 编码模块设计

5.3.1 编码Coeff token

5.3.2 编码TrailingOne符号

5.3.3 编码非零系数赋值Level

5.3.4 编码total zeros

5.3.5 编码run before

5.3.6 编码设计综合

5.4 解码模块设计

5.4.1 对coeff token的解码

5.4.2 对拖尾系数符号的解码

5.4.3 对Level幅值的解码

5.4.4 解码total zeros

5.4.5 解码游程run before

5.4.6 合并

5.4.7 解码设计综合

5.5 本章小结

第六章 可重构设计与实现

6.1 开发环境与实验平台

6.1.1 开发环境

6.1.2 XUPV2P实验平台

6.2 EAPR设计实现

6.2.1 处理系统搭建与顶层设计

6.2.2 编/解码模块实例验证与提取

6.2.3 模块的执行与编译

6.2.4 配置时间

6.2.5 实验结果及分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参 考 文 献

附录