基于FPGA的MPEG2视频硬件解码器的实现

1、硕士学位论文答辩基于基于FPGA的的MPEG2视频硬件解码器的实现视频硬件解码器的实现 姓姓 名：名：学学 号：号：专专 业：集成电路设计业：集成电路设计指导老师：指导老师：2 内容提纲内容提纲l课题背景与意义课题背景与意义lMPEG2视频编解码原理视频编解码原理l解码器架构与模块分析解码器架构与模块分析 l仿真与效果仿真与效果l总结展望总结展望3 背景及意义背景及意义l MPEG2 压缩编码技术是多媒体计算机、多媒体通信、常规电视数字化、高清晰度电视（HDTV）以及交互式电视系统等的关键技术。l 美国的ATSC、欧洲的DVB、日本的ISDB数字电视广播系统都把MPEG2作为信源编码标准。而我

2、国央视也将MPEG2作为数字高清的编解码标准。l 国内目前主要的视频解码方式仍然是软件，在硬件解码上进行研究与开发是很必要的。4MPEG2视频编解码原理视频编解码原理 压缩压缩原始视频原始视频编码编码 解码解码 恢复视频恢复视频 编解码过程即是压缩与解压缩的过程编解码过程即是压缩与解压缩的过程视频视频 文件文件5MPEG2视频编解码原理视频编解码原理l 颜色空间转换颜色空间转换 ：RGB YCbCr压缩方法：压缩方法：像素像素R G B Y Cb Cr YCb Crl 差值编码（运动补偿）差值编码（运动补偿）方式方式1： 图图1 、 图图2 、 图图3 图图1 、 图图2 、 图图3 方式方式

3、2：图图1 、 （图（图2-图图1） 、 图图3-（图（图2-图图1） 图图1 、 图图2 、 图图3 表示为表示为6l 时时 频域转换（离散余弦变换频域转换（离散余弦变换DCT）+ 量化量化MPEG2视频编解码原理视频编解码原理xyuv 很多很多0非非0均匀均匀分布分布DCT量化量化uv 0非非0l 变长编码：变长编码： 用较短的二进制串表示经常出现的图像数据模式，用较用较短的二进制串表示经常出现的图像数据模式，用较长的二进制串表示不经常出现的数据模式。长的二进制串表示不经常出现的数据模式。 量化量化： 用一个数代表一个范围的数：用一个数代表一个范围的数： 010 0 1125 15 261

4、00 30 7 差分运动补偿编码差分运动补偿编码 变长编码变长编码 编码链编码链 解码链解码链原始视频原始视频视频视频 文件文件 DCT 量化量化差分运动补偿解码差分运动补偿解码 变长解码变长解码VLC恢复视频恢复视频视频视频 文件文件 IDCT 反量化反量化8 MPEG2视频硬件解码器构架视频硬件解码器构架解码链解码链预测基准值预测基准值差值差值9解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计一一 数据提取数据提取(Head&VLC)模块模块 图像序列层图像序列层 序列起始码、图像大小、量化矩阵序列起始码、图像大小、量化矩阵GOP0GOP1 图图1 图组起始码、图像编码类型图组起始码、图像

5、编码类型 图组层图组层 图图2 02000001000000100000001 4002000000001000000000110解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计一一 数据提取数据提取(Head&VLC)模块模块 11解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计二二 反量化反量化(Inverse Quantization)模块模块 反量化即将量化后的数据逆运算回原来的数据，并且控制溢反量化即将量化后的数据逆运算回原来的数据，并且控制溢出和误差出和误差 非内部块非内部块 内部块内部块00_*00Fintra dc mult QF (2 )* * _)/32F v uQFv uk W

6、q scale 2047 2047 -2048 2047 -2048 2048 F v uF u vF v uF v uF v u（饱和化）（饱和化）7700 (u!=7) & (v!=7) 77= 1 Even& 1 Odd& EvenuvsumF u vF u vF u vF u vsum is OddFF u vsum isF u v is OddF u vsum isF u v is（误配控制）（误配控制）12解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计二二 反量化反量化(Inverse Quantization)模块模块 5级规范流水级规范流水13解码链模块分析与

7、设计解码链模块分析与设计三三 二维反离散余弦变换二维反离散余弦变换(IDCT)模块模块 频域到时域频域到时域1 8X8二维二维IDCT表示为公式：表示为公式：77001(21)(21)( , )( ) ( ) ( , )coscos41616uvxuyvf x yC u C v F u v1( 0 1 2 3)Yyy yy2( 7 6 5 4)Yyyy y1( 0 2 4 6)Xxxxx2( 1 3 5 7)Xx x x x1122YXIDCTYX 令一维IDCT： 2 设： 可以将二维可以将二维IDCT看作一维看作一维IDCT的串、并行运算的串、并行运算则根据Chen算法，可以得到：112Y

8、PXQX212YPXQX 其中：acafafacPafacacafbdegdgbeQebgbgedb13537( )(cos cos cos cos cos cos cos) 241681616816a b c d e f g14112YPXQX解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计三三 二维反离散余弦变换二维反离散余弦变换(IDCT)模块模块 频域到时域频域到时域 3 根据 Chen 算法，需要设计的功能单元为212YPXQX 即：0-21-4-6acafxafacxPXafacxacafx 微结构微结构15解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计三三 二维反离散余弦变换二维反离散余弦变换

9、(IDCT) 一维运算单元微结构一维运算单元微结构 频域到时域频域到时域共消耗共消耗90T16解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计四四 运动补偿运动补偿运动补偿实质上是根据两幅图之间由运动向量所指的差值关系，运动补偿实质上是根据两幅图之间由运动向量所指的差值关系，根据参照图将目标图恢复。根据参照图将目标图恢复。1234（加上解码出来的差值）（加上解码出来的差值）（线性插值处理：（线性插值处理： 17X1716X16）参考图参考图被预测图被预测图17解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计四四 运动补偿运动补偿运动补偿中插值举例：运动补偿中插值举例：18解码链模块分析与设计解码链模块分析与设计四四 运动补偿运动补偿19仿真与效果仿真与效果仿真模型仿真模型仿真波形仿真波形20仿真与效果仿真与效果21总结展望总结展望l详细研究了MPEG2视频部分的协议l基于Xilinx