（电路与系统专业论文）h264avc视频解码器中帧内预测和去块效应滤波的硬件设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：杠 日 期：j 皿垃血 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：新躲遨日期：划加 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 2 符号说明4 第一章绪论5 1 1 课题研究背景5 1 2国内外研究现状7 1 3 论文主要内容和论文结构8 第二章h 2 6 4 解码器原理一1 0 2 1 h 2 6 4 视频压缩标准一1o 2 2 h 2 6 4 关键技术一1o 2 3帧内预测原理13 2 3 1i n t r a4 x 4 预测模式。1 4 2 3 2 i n t r a 一1 6 x 1 6 预测模式1 9 2 4 去块效应滤波原理2 0 2 4 1边界强度2 1 2 4 2 滤波条件2 2 2 4 3 滤波过程2 4 2 5 本章小结一2 7 第三章帧内预测和去块效应滤波的架构设计及r t l 实现2 8 3 1 帧内预测模块2 8 3 1 1 改进解码顺序2 9 3 1 2 p r e d m o d e 模块设计3 l 3 1 3 p r e d i c t i o n 模块设计3 2 3 1 4 p l a n e 模块设计。3 3 3 2 去块效应滤波模块3 7 3 2 15 级流水线3 8 山东大学硕士学位论文 3 2 1 1 流水线介绍一3 8 3 2 1 2 流水线分析3 9 3 2 1 3 流水线结构4 0 3 2 2 片上存储单元4 2 3 2 3 可重构运算单元4 5 3 2 4 改进边界滤波顺序4 6 3 2 5 降低功耗4 8 3 2 6 控制模块5 0 3 2 7 边界滤波过程5l 3 3 本章小结5 3 第四章帧内预测和去块效应滤波的仿真验证和综合5 4 4 1功能验证5 4 4 1 1 功能验证流程5 5 4 1 2 验证技术和验证方法学5 7 4 2 帧内预测和去块效应滤波功能仿真5 9 4 2 1 仿真工具介绍：一6 0 4 2 2 帧内预测模块功能仿真及结果6 0 4 2 3 去块效应滤波模块功能仿真及结果6 2 4 3 逻辑综合6 5 4 3 1逻辑综合介绍6 5 4 3 2 综合工具d e s i g nc o m p i l e r 6 7 4 3 3 综合结果6 8 4 4 本章小结一7 l 第五章结束语一7 2 参考文献7 3 致 射7 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 8 山东大学硕士学位论文 c a t a l o g c h i n e s ea b s l r a c t 1 e n g l i s ha b s l r a c t 2 d e n o t a t i o n 4 c h a p t e r l i n t r o d u c t i o n 5 1 1 b a c k g r o u n d 5 1 2 d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c hs i t u a t i o n 7 1 3s t r u c t l 鹏o f t h ep a p e r 。8 c h a p t e r 2 h 2 6 4d e c o d e rp r i n c i p l e 10 2 1h 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d 10 2 2h 2 6 4k e y t e c h n o l o g i e s 10 2 3 p r i n c i p l eo fi n t r ap r e d i c t i o n 13 2 3 1 i n t r a 一4 x 4p r e m o d e 1 4 2 3 2 i n t r a 一1 6 x 1 6p r e m o d e 1 9 2 4 p r i n c i p l eo f d e b l o c k i n gf i l t e r 2 0 2 4 1b s 2 1 2 4 2f i l t e rc o n d i t i o n ：! ：1 2 4 3f i l t e rp r o c e s s ：! z i 2 5 c o n c l u s i o no f t h ec h a p t e r 2 7 c h a p t e r 3d e s i g na n dr t li m p l e m e n to fi n t r ap r e d i c t i o na n dd f 2 8 ：i 1i n t r ap r e d i c t i o nm o d u l e 2 8 3 1 1 a d j u s t m e n td e c o d i n go r d e r 2 9 ：i 1 2 d e s i g no f p r e d m o d e 3 1 3 1 3 d e s i g no fp r e d i c t i o n 3 2 ：i 1 4 d e s i g no fp l a n e 3 3 3 2 d e b l o c k i n gf i l t e rm o d u l e 3 7 3 2 1 f i v e - s t a g ep i p e l i n e 3 8 1 1 1 山东大学硕士学位论文 3 2 1 1i n t r o d u c t i o no f p i p e l i n e 3 8 3 2 1 2 p i p e l i n ea n a l y s i s 3 9 3 2 1 3 p i p e l i n es t r u c t u r e 4 0 3 2 2 o n - c h i pm e m o r y 4 2 3 2 3 r e c o r t f i g u r a b l ep e 4 5 3 2 4 a d j u s t m e n tf i l t e ro r d e r 4 6 3 2 5r e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n 4 8 ：i 2 6 c o n t r o lm o d u l e 5 0 3 3c o n c l u s i o no ft h ec h a p t e r 5 3 c h a p t e r 4v e r i f i c a t i o n & s y n t h e s i s 5 4 4 1f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n 5 4 4 1 1f l o wo ff u n c t i o n a lv c r i f i c a t i o n 5 5 4 1 2v e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y 5 7 4 2f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nr e s u l t s ! ；9 4 2 1i n t r o d u c t i o no fs i m u l a t i o nt o o l 一6 0 4 2 2v e r i f i c a t i o nr e s u l to fi n t r ap r e d i c t i o n 6 0 4 2 2v e r i f i c a t i o nr e s u l to fd f 6 ：1 4 3 l o g i cs y n t h e s i s 6 5 4 3 1i n t r o d u c t i o no fl o g i cs y n t h e s i s 6 5 4 3 2i n t r o d u c t i o no f d e s i g nc o m p i l e r 6 7 4 3 3 s y n t h e s i sr e s u l t s 6 8 4 4c o n c l u s i o no f t h ec h a p t e r 7 1 c h a p t e r 5 c o n c l u s i o n 7 2 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g m e n t 7 7 p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r si nm a s t e rp e r i o d 7 8 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 h 2 6 4 a v c 作为新一代的多媒体视频标准，相比于以前的视频标准如m p e g 系列、h 2 6 x 系列来说，在同等的图像质量下可大幅度的提高压缩比，有着非常 广阔的应用前景。但h 2 6 4 的这种优势是以提高编码端和解码端解码的计算复杂 度为代价的，因此需要高效的硬件结构来满足视频播放实时性的要求。 本文首先对h 2 6 4 标准进行整体研究，然后详细分析了帧内预测和去块效应 滤波算法，提出了实现两个模块功能的硬件架构。在帧内预测模块的设计中，首 先调整4 x 4 模式的解码顺序以加快速度，并设计通用运算单元以提高硬件资源的 重用性，采用4 个运算单元并行运算、p l a n e 模式预处理等手段提高系统性能。针 对去块效应滤波模块，首先对整个滤波过程进行了关键路径进行分析，提出了5 级流水线架构。改进边界滤波顺序以降低对存储器的访问，利用门控时钟降低系 统功耗，并设计了可重用运算单元，采用具有转置功能的缓存器以加快对像素值 的读操作。为了降低存储器带宽，对不同用途的像素值采用不同的存储机制。 本文采用v e r i l o g h d l 完成了帧内预测模块和去块效应滤波模块的寄存器级 建模，并依据j m 9 4 编写了c 参考模型。采用不同的手段获得测试激励，使用 s y n o p s y s 公司的数字电路仿真工具v c s 对帧内预测模块和去块效应模块进行功 能仿真和验证，结果表明两个模块的功能都达到了设计的要求，是正确的。采用 台积电( t s m c ) 的0 13 p r o 工艺库，用s y n o p s y s 的d e s i g nc o m p i l e 逻辑综合工具， 并结合适当的综合策略和优化手段，对帧内预测模块和去块效应滤波模块进行逻 辑综合，结果是两个模块都可工作在5 0 m 的频率下。 验证和综合的结果表明，上述两个模块都达到了本课题的设计目标。 关键词：h 2 6 4 标准；帧内预测；去块效应滤波；验证方法学 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h 2 6 4 a v ca san e wg e n e r a t i o no fm u l t i m e d i av i d e os t a n d a r d s ，c o m p a r e dt o p r e v i o u s v i d e os t a n d a r d ss u c ha sm p e gs e r i e sh 2 6 xs e r i e s ，h 2 6 4 g a l l s u b s t a n t i a l l yi m p r o v et h ec o m p r e s s i o nr a t i oa tt h es a m ei m a g eq u a l i t y , s oi th a sav e r y b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s h o w e v e r , t h ea d v a n t a g e so ft h eh 2 6 4a r ea tt h ep r i c eo f i n c r e a s ec a l c u l a t i o nc o m p l e x i t yi ne n c o d e ra n dd e c o d e r , t h e r e f o r ee f f i c i e n th a r d w a r e a r c h i t e c t u r ei sn e e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ev i d e od e c o d i n g t h i sp a p e r a n a l y z e s t h eh 2 6 4 s t a n d a r d ，e s p e c i a l l yi n t r a - p r e d i c t i o n a n d d e b l o c k i n gf i l t e r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n , t h i sp a p e rp r o p o s e st h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fi n t r ap r e d i c t i o na n dd e b l o c k i n gf i l t e r i ni n t r ap r e d i c t i o n m o d u l e ，i no r d e rt os p e e du p ，a d j u s tt h ed e c o d i n go r d e ro ft h e4 x 4b l o c kp r e d i c t i o n m o d e l d e s i g nag e n e r a lp r o c e s s i n ge l e m e n t , t h i sp r o c e s s i n ge l e m e n ti m p r o v e st h e r e u s a b i l i t yo fh a r d w a r er e s o u r c e st os a v eh a r d w a r er e s o u r c e s i no r d e rt oi m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，f o u rp a r a l l e lp r o c e s s i n ge l e m e n t s ，p l a n em o d ep r e c o m p u t a t i o n a n dm o d ep r e d i c t o ra r ea d o p t e d i nd e b l o c k i n gf i l t e rm o d u l e ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i s c r i t i c a lp a t ho ft h ef i l t e r i n gp r o c e s s ，f i v e - s t a g ep i p e l i n ea r c h i t e c t u r ei sa d o p t e dt o i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e i m p r o v et h eb o u n d a r yf i l t e ro r d e rt or e d u c em e m o r y a c c e s s c l o c kg a t i n gi su s e dt or e d u c es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n a n dar e u s a b l e c o m p u t i n gu n i t i s d e s i g ni no r d e rt o i n c r e a s et h er e u s eo fh a r d w a r er e s o u r c e s t r a n s p o s ec a c h ei sa i m e dt os p e e du pr e a dp i x e l s i no r d e rt or e d u c et h em e m o r y b a n d w i d t h , d i f f e r e n tp i x e l sh a v ed i f f e r e n c es t o r a g em e c h a n i s m s t h ei n t r ap r e d i c t i o na n dd e b l o c k i n gf i l t e rm o d e l i n gc o m p l e t eu s ev e r i l o g h d l ， t h i sp a p e ra l s ow r i t ecr e f e r e n c em o d e la c c o r d i n gt oj m 9 4 u s ed i f f e r e n tm e t h o d st o o b t a i nt h et e s ts t i m u l i ，f u n c t i o ns i m u l a t i o nh a v eb e e nc o m p l e t e do ne a c hm o d u l eb y u s i n gd i g i t a jc i r c u i ts i m u l a t i o nt o o lv c s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h et w o m o d u l e s 批b o t hc o r r e c lt w om o d u l e sa r cs y n t h e s i z e db yu s i n g ( t s m c ) 0 13 p r o t e c h n o l o g yl i b r a r y t h ef r e q u e n c yo f t h et w om o d u l e sc , a nb o t hw o r ki n5 0 m s y n t h e s i s 2 山东大学硕士学位论文 a n dv e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt w om o d u l e sd e s i g na r em e e tt h er e q u i r eg o a l so ft h i s p r o j e c t t h ev e r i f i c a t i o na n ds y n t h e s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g no fi n t r a - p r e d i c t i o n a n d d e b l o c k i n g - f i l t e rh a v ea c h i e v e dr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h 2 6 4 ；i n t r ap r e d i c t i o n ；d e b l o c k i n gf i l t e r ；f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 a s i c a v c i t u b s c m o s d c t d f e d a h d l i p i c t m p e g l s o p e q p l 强 v l s i s o c p d a s r a m 4 符号说明 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a d v a n c e dv i d e oc o d i n g i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o i l su i l i o n b o u n d a r ys t r e n g t h c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r i l l d e b l o c k i n gf i l t e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e g r a t e dc i r c u i t j o i n tv i d e ot e a m m o t i o np i c t u r ee x p e r tg r o u p i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n p r o c e s s i n ge l e m e n t q u a n t i z a t i o np a r a m e t e r r e g i s t e rf i l e v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n s y s t e mo n a c h i p p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t s m i l er a n d o ma c c e s sm e m o r y 专用集成电路 高级视频编码 国际电信联盟 边界强度 互补金属氧化物半导体 离散余弦变换 环路滤波器 电子设计自动化 硬件描述语言 知识产权 集成电路 联合视频组 运动图像专家组 国际标准化组织 处理单元 量化参数 寄存器堆 超大规模集成电路 片上系统 掌上电脑 静态随机存储器 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 信息技术发展日新月异，尤其以视频为信息的多媒体通信越来越受到人们的 重视。在人们获取的各种信息中，视觉信息量约占总信息量的7 0 ，视频信息以 其直观性、可靠性、广泛性、高效性和便于理解等一系列优点在信息时代占据着 重要的地位，所以视频技术是当今信息时代研究的重要课题。 视频信号的特点是数据量多，内容丰富多彩，所以视频传输网络需要很多的 带宽。网络带宽是一定的，所以为了使相同带宽传输更多、更高质量的视频图像 信息，就需要对视频信号进行处理和压缩。只有有了高效的视频压缩算法，才能 保证在不增加网络带宽的情况下，在电视上播放高清的电视剧，使用传输率较低 的手机看视频，用网络进行现场视频会议传输，在相同的存储介质中存储更多的 视频信息等等。现阶段数字视频压缩技术是十分必要的，因此需要高效的视频压 缩算法i l 】。 手持终端例如p d a 、智能手机、条码数据采集器、手持i c 卡数据终端、手 持指纹采集终端、抄表机等等在现代生活中应用的非常普遍。这些设备上的视频 信息得到了大家的喜爱，因此研究手持终端的视频编解码技术非常有价值。 音视频编解码标准在国际上分为两大系列，分别由两大国际组织制定：一是 国际标准化组织( i s o ) 制定的活动图像专家组m p e g 系列标准；二是国际电信 联盟( i t u ) 针对多媒体通信制定的h 2 6 x 系列标准和g 7 系列标准1 2 1 。每个标准 都有各自不同的适用场合。本文采用的是h 2 6 4 标准。 h 2 6 4 a v c 也被称为是m p e g - 4 第十部分，本协议是由i t u t 视频编码专家 组( v c e g ) 和i s o i e c 动态图像专家组( m p e g ) 组成的联合视频组( t ，j o i n t v i d e ot e a m ) 共同提出的压缩率很高的数字视频编解码标准1 3 1 。 h 2 6 4 相比于以前的视频标准的优势是具有非常高的数据压缩比率。压缩相 同的图像信息，用h 2 6 4 压缩后的图像大小比m p e g - 2 小2 倍还要多，比m p e g - 4 小1 5 2 倍。例如，原始视频文件的大小为1 0 0 g b ，用m p e g 2 标准进行压缩后 5 山东大学硕士学位论文 是4 g b ，而采用h 2 6 4 压缩标准压缩后变为9 8 0 m b ，前者的压缩比为2 5 ：l ，后 者的压缩比达到1 0 2 ：1 ，数字相当可观。和m p e g - 2 和m p e g - 4 等压缩技术相比， 下载h 2 6 4 格式的视频文件将大大节省我们的下载时间和流量费用。更为珍贵的 是，h 2 6 4 不仅具有较高压缩比，还同时保证具有高质量清晰流畅的图片。正因 为如此，经过h 2 6 4 压缩的视频数据，在网络传输过程中优点更加突出，占用的 带宽更少，也更加经济1 4 1 。 h 2 6 4 标准制定的主要目标是：在相同的带宽下可以提供高质量的图象。为 此，h 2 6 4 与以前的国际标准如h 2 6 3 和m p e g - 4 相比，为达到高效的压缩，充 分利用统计冗余和视觉生理冗余的概念l s l 。 1 统计冗余：包括频空间冗余、谱冗余( 指色彩分量之间的相关性) 、时间 冗余。视频压缩主要利用时间冗余，这点是和静止图像不同，静止图像主要利用 空间冗余。 2 视觉生理冗余：视觉生理冗余是由人类的视觉系统( h v s ) 特性引起的， 比如人眼对色彩分量的高频分量和对图像高频( 即细节部分) 处的噪声都不是很 敏感，但是对亮度分量的高频分量却很敏感。 视频压缩的目的是采用不同的方法降低以上冗余，只传输有用的信息，集中 在降低空间冗余和时间冗余上。h 2 6 4 标准中分别对空间冗余和时间冗余进行处 理。对空间冗余，采用帧内预测技术，在当前帧中用已经解码的宏块预测未解码 的宏块，这样编码的帧叫i 帧；时间冗余则是采用帧间预测技术，即通过相邻帧 之间的运动估计和补偿来去除冗余，这样编码的帧叫p 帧或b 帧。 首先，在编码器中，把当前宏块的邻近像素作为参考，采用一定的运算方法 计算出预测值，当前宏块的原始像素值减去预测值得到残差数据，残差数据就是 去除冗余后的视频数据，然后对残差数据进行变换与量化，对结果进行熵编码以 进一步压缩带宽，熵编码的结果就可以形成码流了。解码端的过程是编码端的逆 过程，但需要注意的是，解码端的预测值应该与编码端的预测值相同，否则重建 后的图像不一致。 h 2 6 4 作为新一代数字视频压缩算法，它有很多特点： 1 编码效率高：作为最新的一代数字压缩标准，h 2 6 4 同其他的视频编解码 6 山东大学硕士学位论文 _ 置_ _ _ _ _ _ 一i 置_ 量_ _ 置皇詈墨暑鲁葛皇暑鼍詈詈曼詈皇量置量詈詈喜詈詈_ | 鲁鲁墨皇詈皇- 置_ 皇_ _ _ _ 鼍_ 标准的效率相比，能够平均节省大于5 0 的码率，效率较高。 2 视频画面质量高：h 2 6 4 压缩的可贵之处是在保证在低码率情况下，还能 够提供高质量的视频图像。在较低带宽上能够提供高质量的图像传输是h 2 6 4 的 应用亮点。 3 网络适应能力强：h 2 6 4 在制定的过程中就要求既可以工作在低延时的实 时通信系统下，也可以工作在无延时的视频存储中，适应能力较强，因此本标准 可适用的场合也较多。 4 混合编码架构：h 2 6 4 标准中增加了有关于运动补偿、帧内预测、多帧预 测、帧间预测、基于内容的变长编码、4 x 4 二维整数变换等新的编码方式，还有 基于d c t 变换加d p c m 的混合编码，目的是提高编码效率。 5 h 2 6 4 的编码选项较少：以前的视频标准例如h 2 6 3 在编码时需要设置的 选项就比较多，而h 2 6 4 集成度较高，更智能，力求简洁，选项较少，从而降低 复杂度。 6 应用场合较多：h 2 6 4 可根据要求设置传输方式，也可以根据具体的条件 使用不同的播放速率，并且包含了多种处理错误的方式，从而控制好整个解码流 程，可满足各种场合的需求。 7 错误恢复功能t 在无线网络传输的过程中，存在较高的误码率，为了解决 这个问题，h 2 6 4 添加了能够自动检测数据包是否丢失的功能，因此可用在无线 系统中。 8 复杂度较高：以上列出的h 2 6 4 这么多优点，是以提高解码计算复杂性为 代价的。据估计，h 2 6 4 编码端的计算量大约是h 2 6 3 的3 倍，解码大约是h 2 6 3 的2 倍，但这是不可避免的。 1 2 国内外研究现状 h 2 6 4 标准作为国际上视频编解码领域和图像工程领域的最新一代研究成 果，其性能超越了以往所有的视频标准，具有非常光明的应用前景。h 2 6 4 性能 的提高是以增加复杂度为代价的，所以各个厂商纷纷投入资金，提出各种解决方 案研发解码芯片。目前，主要有以下几种方案：( 1 ) a s i c ；( 2 ) d s p + a r m ；( 3 ) 7 山东大学硕士学位论文 基于x 8 6 架构的嵌入式系统。现阶段国际市场上，h 2 6 4 解码芯片被c o n e x a n t ， b r o a d c o m ，s i g n a l d e s i g n ，s t m i c r o e l e c t r o n i c s 等企业垄断。 中国作为全球人口最多的大国，是世界上最大的电子产品消费市场，这就使 得数字产品在我国有着非常广阔的市场。随着现代科技的发展，人们希望获得信 息的渠道方式更加直观，无争议的这成为视频市场的动力。作为处理数字视频的 核心视频解码芯片的需求量也日益增加。h - 2 6 4 标准作为行业领头的标准， 中国也大力推行，活跃部署。其中在视频监控行业，中国的投资巨大，但无法对 这方面的投入进行估量。原因在于国家的一些重点行业例如交通、公安等的视频 设备尤其是高清视频设备部署情况并不对外公开1 6 】。 在2 0 0 8 年的北京奥运会中，中国采用h 2 6 4 标准部署了大量的视频监控，保 证了奥运会的顺利进行。此外，中国电信也一直在采用h 2 6 4 技术，例如在早期 的m t v 测试中就是采用的h 2 6 4 视频技术，还有当前的“全球眼”业务已经开始 在一些局部地区也大量采用h 2 6 4 技术，并和现有专网视频业务进行方案混合， 并取得了良好的成果，这是当前中国乃至全球范围内覆盖率最大、专项业务线最 全面业务。 随着现阶段数字技术的迅猛发展，视频设备逐渐从模拟到数字转型，进而引 发数字解码芯片的巨大市场需求。据i s u p p l i 统计，高清电视已经超过标清电视， 成为全球出货量最多的电视。除高清电视外，各类消费电子产品如摄像机、d v d 播放机和各类游戏机等出货量也大大增加，这些产品的需求量大大增加带领数字 编解码芯片的需求量也增加。这些应用将进一步推动h 2 6 4 技术在全球的发展。 1 3 论文主要内容和论文结构 本文研究了新一代视频编解码标准h 2 6 4 的特点及应用领域，简单介绍了该 标准视频解码器的解码流程以及关键技术，视频比特流的语法和语义等内容，其 中本文的重点是帧内预测模块和去块效应环路滤波模块两个关键技术的硬件实 现。 本论文共分为五章，每章的主要内容如下： 第一章是绪论部分，介绍了课题研究背景和h 2 6 4 视频标准，然后介绍了h 2 6 4 8 山东大学硕士学位论文 在我国发展情况，最后是本文的结构。 第二章对h 2 6 4 视频解码器进行介绍。首先介绍了h 2 6 4 视频解码流程，然后阐 述h 2 6 4 的关键技术，指明了本文的研究重点在整个视频解码流程中所处的位置， 以及实现的功能，最后详细论述了帧内预测模块和去块效应滤波的原理。 第三章是本论文的核心设计部分，对帧内预测模块和去块效应滤波模块进行具 体细节设计。首先是根据h 2 6 4 视频标准算法，分析了帧内预测模块和去块效应滤 波模块的特点，提出了实现帧内预测和去块效应滤波功能的硬件架构并设计了具 体的实现电路。 第四章分两部分，一部分是功能验证，另一部分是逻辑综合。首先介绍了功能 验证的基本概念，然后搭建验证平台对帧内预测模块和去块效应滤波模块进行验 证。逻辑综合部分也简单介绍了综合的概念和综合流程，并对两个模块进行了综 合并给出了结果。 第五章结束语，对全文工作进行总结。 9 山东大学硕士学位论文 第二章h 2 6 4 解码器原理 2 1h 2 6 4 视频压缩标准 h 2 6 4 a v c ( a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ，高级视频编码) 是由国际电信联盟( i t u ) 和国际标准化组织( i s o ) 共同提出的最新一代数字视频压缩标准，它以以往的压缩 技术为前提，不仅提取了以往压缩技术的精华部分，而且引进了以往压缩技术没 有的新技术。和先前的视频编解码标准一样，h 2 6 4 标准中没有明确的定义编解 码器，只定义了编码视频比特流的标准语法和解码比特流的语法1 7 1 。但是，符合 语法的解码器一般都包括如图2 1 所示的功能模块。 f 运动补偿卜一参考图像l 预测值，、y 一1 一 。 n u 丽司 螨砸固咂 恒卜叵产喀蕊至 唾 图2 - 1h 2 6 4 解码器 h 2 6 4 视频标准的解码过程是：视频编码端传输来的比特流输入解码器后， 经过解析后将码流中的图像数据与参数信息数据分开，图像数据经过熵解码、重 排序、反量化和反变换过程得到残差数据；同时，帧内预测模块或运动补偿模块 根据参数信息数据得到的参数，用一定的算法从参考值中获得预测值；预测值与 残差数据相加，最后经过滤波得到原始图像；得到的部分解码像素值作为下次解 码的参考值被存储起来。 2 2h 2 6 4 关键技术 h 2 6 4 相比于以i ； 的压缩标准，压缩效率有显著的提高，引进了很多新技术如 4 x 4 整数变换、空间域内的帧内预测、1 4 像素精度的运动估计、多参考帧和多种 大小块的帧间预测技术等，这些新技术在带来较高压缩比的同时，也大大提高了 算法的复杂度嗍。h 2 6 4 视频编解码标准中采用的关键技术有： 1 0 山东大学硕士学位论文 1 熵编码 h 2 6 4 标准采用了两种熵编码的方法来处理量化变换系数：一种是基于上下 文的自适应变长编码( c a v l c ) ，此编码方式是由可变长编码发展而来；另一种 是基于上下文的自适应算术二进制编码( c a b a c ) ，由算术编码发展而来。( 1 ) c a v l c ：该编码方式有若干v l c 码表，不同的码表与不同的概率模型相对应， 而编码器可在这些码表中进行选择，最大可能地与当前数据的概率模型匹配。选 择时所采用的索引可根据上下文获得，如周围块的非零系数或系数绝对值大小等， 从而实现上下文自适应功能。( 2 ) c a b a c ：本算术编码是一种高效的熵编码方案， 在编码的过程中分为三个步骤，分别为二进制化、上下文模型和算术编码。由于 对下一个符号的编码操作与以前编码操作的输出有关，所以c a b a c 不考虑单个 符号的概率特性，而是考虑信源符号序列整体概率特性，从而可以最大程度的逼 近信源的极限熵。当编码完一个二进制码流，编码器就会自动调整