H.264视频帧内解码器的FPGA实现

摘要

H.264是2003年5月正式颁布的视频压缩标准，它采用了大量最新的视频编码技术，压缩效率和灵活性方面比先前的标准有了很大的提高，广泛应用在多媒体传输、存储等领域。
　　 本文研究反量化、反变换以及帧内预测等H.264帧内解码模块硬件设计及FPGA实现方法，主要包括以下四方面的工作：
　　 (1)采用了自顶向下的设计方法，将H.264帧内解码模块划分为反量化反变换模块、帧内预测模块以及去块效应滤波前的宏块像素重建模块，然后主要对前两个模块的设计进行了详细的介绍，包括各模块的功能、内部硬件结构以及操作时序等
　　 (2)基于节省硬件资源的考虑，本文通过分析提取反量化反变换模块、帧内预测模块以及去块效应滤波前的宏块像素重建模块中的可重用部分，设计了可重用的运算单元。同时为了达到实时性要求，本文采用了四像素并行解码的方式以加快解码速度。
　　 (3)针对帧内预测模块，为节省存储器资源及降低访存功耗，本文提出了一种包含三级存储的层次化参考像素存储结构，包括行缓存、宏块级寄存器以及4x4块级寄存器。
　　 (4)论文完成了H.264帧内解码模块的RTL编码、功能仿真，并通过FPGA开发板完成了原型验证。经过实际视频码流测试，本设计可以达到H.264主要档次的实时解码技术要求。

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致谢

第一章绪论

1.1视频压缩的必要性和可能性

1.2视频压缩的原理和方法

1.3视频压缩标准的发展

1.4本课题的研究意义

1.5本文的主要工作及章节安排

第二章H.264视频压缩标准

2.1 H.264采用的新技术

2.2 H.264中的档次及分层结构

2.3 H.264视频编解码器结构

第三章H.264帧内解码相关算法

3.1 H.264视频帧内解码算法的基本原理

3.2变换系数解码过程

3.2.1 帧内16×16亮度DC系数的反变换和反量化过程

3.2.2色度DC系数的反变换和反量化过程

3.2.3用于残差4×4块的反量化和反变换过程

3.3帧内预测

3.3.1 帧内4×4预测模式的获取

3.3.2帧内4×4亮度块预测

3.3.3帧内16×16亮度块预测

3.3.4帧内8×8色度块预测

3.4宏块级重建过程

第四章H.264帧内解码器的硬件实现

4.1 可重用技术在H.264帧内解码中的应用

4.2 H.264帧内解码器整体结构

4.3反量化反变换模块

4.3.1系统结构

4.3.2反量化模块的硬件实现

4.3.3反变换模块的硬件实现

4.3.4系统时序分析

4.4帧内预测模块

4.4.1 自适应块解码结构

4.4.2层次化的参考像素存储结构

4.4.3 DC预测模式解码过程

4.4.4 Plane预测模式解码过程

第五章H.264帧内解码器的仿真与验证

5.1 功能仿真

5.1.1 H.264帧内解码器仿真策略

5.1.2模块级验证

5.1.3系统级验证

5.2 FPGA原型验证

5.2.1 H.264帧内解码器的FPGA综合

5.2.2 H.264帧内解码器的FPGA验证策略

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文