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山东建筑大学硕士学位
论文题目 基于FPGA的AVS解码器 帧内预测和环路滤波的研究
与设计 山东省
科技发展
计划项目“AVS专用解码芯片研发与产业化”(2009(;610001018)计:学位
论文77页 表 格8个 插 图33幅 评阅人: 指导
教师: 王挝昆 学院院长: 毯挂壹 学位
论文完成日期: 2Q12生蔓且
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论文是本人在导师的
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集体,均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的
法律责任。
学位
论文作者签名: 望丞鼗 日期刭萏五霞&留 学位
论文使用授权声明 本学位
论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位
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保密
论文在解密后遵守此声明。
学位
论文作者签名: 数兰垫日期冽旌墨强垒旦 导 师 签 名:一王型丝盘日期兰血靠≤目&旦● 山东建筑大学硕士学位
论文 摘要 随着信息技术和数字信号处理技术的发展,多媒体视频压缩技术的应用得到了快速发展,视频图像压缩技术也因此收到越来越多的重视。
为摆脱对国外标准的依赖,避免H.264等国际标准高昂的专利费用,满足我国信息产业发展的需求,我国自2002年起开始组织相关企业和科研机构制定
我们自己的音视频压缩标准AVS。
目前AVS已经成为音视频编码技
术的国家标准,且AVS有着高压缩率、
高压缩质量以及低专利费等优势。
论文以AVS中的帧内预测和环路滤波模块的FPGA设计与实现为选题,对于推动我国AVS数字视频编解码标准的应用和产
业发展具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文先简要
介绍了AVS标准和FPGA的基本知识,之后着重对AVS解码器的帧内预测模块和环路滤波模块的算法和结构进行了深入的研究和探讨。
对AVS帧内预测
算法进行了
优化设计,为提高硬件资源的可
重构性,降低帧内预测的计算复杂度,帧内预测模块中设计了
通用运算单元。
设计中采取有效的控制
逻辑,对复杂的plane模式进行了预处理。
环路滤波模块采用5级流水线架构,用改进的边界滤波顺序解决流水线冲突问题,用转置模块实现边界滤波样本的行列转置,采用
状态机进行控制环路
滤波器时序,可以根据水平滤波、垂直滤波、边界强度
的不同,自动进行处理,从而使得处理过程能够实现
自适应。
帧内预测模块和环路滤波模块采用自顶向下的设计方法,划分了子模块,提出了实现帧内
预测模块和环路滤波
模块的硬件架构。
对以上设计,采用Verilog HDL
语言实现它们的RTL级的设计,由开发环境Qumus II 8.0和Modelsim进行综合仿真。
上述设计已通过RTL级
综合及仿真,
证明了该
设计的
有效性、
可行性及
正确性。
论文对于基于FPGA的AVS视频解码系统
进行了有益的
探索,具有一定的
实用价值。
‘ 关键词:AVS视频标准,视频解码,
现场可
编程门阵列,帧内预测,环路滤波,流水线技术
山东建筑大学硕士学位
论文 Research and Design of Intra prediction and Deblock filter in AVS Video Decoder Based on FPGA Shah Tianyan(Detection Technology&Automation Equipment) Directed by Wang Shukua ABSTRACT The application of multimedia video compression technique grows very rapidly、航mthe development of information technology and digital signal processing transmission.Image compression technology is got more and more attention. In order to avoid high patent oosts of H.264 international standards,satisfy the demandof information industrial development,in 2002,China began started to organize relatedenterprises and research institutes develop 0111”own audio and video compression standardsAVS.AVS has already become the China national video coding standard and AVS has hi.ghcompressing rate,higll video quality and low royalty,etc…Based on AVS intm predictionand loop filter module design and implementation of FPGA as the topic,in promotingChina’s AVS digital video codec standard applications and industrial development hasimportant theoretical significance and practical application value. At fast,basic knowledge of AVS and FPGA is introduced briefly in the paper.Thenthe architecUn’es of two important modules which is Intm prediction and Loop filter in AVScoder researched and discussed deeply in the paper.According to AVS standard,we improvethe arithmetic of intra prediction mode selection.It proposes a general processing dementwhich improves the reusability of hardware resources and reduces the computationalcomplexity of intra prediction.In order to improve the processing speed,plane mode ^ ’l:妒compu枷∞and effective con的l logic撇adopted.A 6ve.s组ge pipd硫is adoptcd t0improve throughput.The hybrid edge filter order is developed to deal、Ⅳi廿l pipeline hazards.Transposition module is suitable to transposing pixels.State machine is used to control thedesign,and according to horizontal filter,vertieal filter,different bound—strength,adaptiveprocess is carried out. HⅢ山东
建筑大学硕士学位
论文 IV 山东建筑大学硕士学位
论文 目录摘要…………·…………………···………………”………………………………···………………IABSTRACT…………………………………………………………………………………………Ⅱ第1章绪论………………………………………………………………………~3. 1.1研究背景……………………………………………………………………………….3. 1.1.1视频压缩标准的发展…………………………………………………………….3. 1.1.2 AVS简介………………………………………………………………………………………………….4. 1.2国内外研究现状及发展趋势…………………………………………………………..5. 1.2.1研究现状………………………………………………………………………….6. 1.2.2AVS视频解码器发展趋势…………………………………………………………….7. 1.3课题的意义…………………………………………………………………………….7. 1.4
论文的主要工作…………………………………………………………………………·.8.第2章AVS解码器及FPGA简介…………………………………………….“. 2.1 AVS解码器
整体架构………………………………………………………………...1卜 2.2 FPGA及系统开发
工具简介………………………………………………………….14. 2.2.1 FPGA
简介……………………………………………………………………………………………·.1 4. 2.2.2
系统开发软件简介……………………………………………………………..-15. 2.2.3
关键设计技术简介……………………………………………………………….17.第3章帧内预测模块的研
究与设计…………………………………………。
23. 3.1帧内预测
原理………………………………………………………………………·.23. 3.2帧内预测的模块划分及硬件设计……………………………………………………...25. 3.2.1帧内预测
模式判别模块………………………………………………………~26. 3.2.2预测值计算模块………………………………………………………………….26. 3.2.3参考样本管理模块……………………………………………………………·.30. 3.2.4控制单元………………………………………………………………………·.3卜 3.3仿真验证……………………………………………………………………………~32. 3.3.1仿真验证平台及步骤…………………………………………………………….33. 3-3.2仿真验证结果…………………………………………………………………·.33. 4.3.2参数预计算单元……………………………………...……………………………………·.48. 4.3.3滤波运算单元………………………………………………………………….50. 4.3.4
改进的滤波顺序………………………………………………………………~52. 4.3.5转置单元…………………………………………………………………………….53. 4.3.6消除流水线结构中的
冲突……………………………………………………….55. 4.3.7存储模块………………………………………………………………………·.56. 4.3.8控制模块……………………………………………………………………………….57. 4.4仿真验证……………………………………………………………………………….58. 4.4.1仿真
验证平台及
步骤…………………………………………………………….58. 4.4.2仿真验证结果……………………………………………………………………~58. 4.5本章
小结……………………………………………………………………………·.6卜
第五章
总结与
展望……………………………………………………………………..一63.参考
文献…………………………………………………………………………·.64.后记…………………………………………………………………………………………….67.攻读硕士学位期间发表的学术
论文……………………………………………….68.附录……………………………………………………………………………………………··.69. 1.1研究
背景 随着信息技术和
计算机互联网的飞速发展,多媒体信息已成为
人类获取信息
的重 要载体,然而视频
信号信息量越大,对信息存储设备及通信网络的要求也就越高。
由 于视频数据中包含着大量的可压缩的冗余信息,所以视频图像数据具有很大的压缩潜力‘¨。
,
研究和开发有效的视频压缩
方法,以
压缩的形式存储和传输视频数据可降低网络传输带宽、节省
存储设备容量。
1.1.1视频压缩标准的发展 经过多年的研究
和发展,视频压缩标准主要有JPEG标准、MPEG系列标准、H.26x系列标准和AVS标准,这些视频标准推动了音视频编码技术
的发展及应用。
图像/视频标准的
发展如图1.1所示。
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 图1.1图徽频标准的发展 从图1.1中可看出,国际上音视频编解码标准主要有两大
系列:ISO/IEC JTCl制定的MPEG系列标准,包括MPEG.It3J、MPEG-2N、MPEG-4151标准,主要
面向于消费类应用,如视频存储(DVD)、
广播电视、因特网或
无线网上的流媒体等;国际电信联盟 (ITU)针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准,包括H.261〔61、H.262/71、H.263181、H.264/AVCl91标准,主要应用于实时视频通信领域,如会议电视等。
H.261、H.263、MPEG.1、MPEG-2等视频编码标准在过去相当长的一段时间内己应用的
非常广泛,这些被称为第一代的编码标准。
经过多年发展,人们对大容量、高清晰视频的需求越来越高,从而导致音视频编码技术本身和产业应用背景都
发生了明显
变化,许多应用于新环境
下的标准不断推出,如H.264、MPEG-4、AVStlOl等,这些新一代编码 山东建筑大学硕士学位
论文标准被称为第二代编码标准。
目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个:MPEG.2、MPEG-4、MPEG-4AVC(简称AVC,也称ⅣT、H.264)、AVS。
AVS相比于第一代标准MPEG.2,编码效率提高2~3倍【ll】。
采用MPEG.2、MPEG-4、H.264这三种标准将面l瞄高昂的专利费用
问题。
例如,MPEG-2最初对解码设备和编码设备每台收专利费4美元,2002年收费标准降为2.5美元/台,向节目运营商每个节目加收O.03美元;MPEG-4收费标准对于终端制造商来说每个编解码器收费O.25美元,或者缴纳编解码器年封顶费100万美元,另外还要按照节目数量、使用
时间收费:MPEG-4AVC/H.264是代表
最新技术水平的一项国际标准,H.264从2006年1月1日起
开始收费,终端厂商每
制造一个编解码器交费O.20美元,或者缴纳编解码器年封顶费350万美元,PC厂商编解码器的收费是年封顶费350万,对于节目运营商参加费为每年350万美元,另外还要按照节目收费,并增加了对广播的收费,按照编码设备或转发设备收费【121。
未来lO年,我国至少有4亿台MPEG-2设备需要交费,数字超过10亿美元。
如果采用MPEG-4或者H.264,除了单个的编解码设备要交费外,我
国有线电视用户数量巨大、转发设备多,节目运营商也要交纳庞大的专利费用。
在我国自主提出AVS标准前,视频编解码标准一直被国外垄断,这些标准的
核心技术和专利由
国外机构和企业所控制,知识产权将成为制约我国视频产业未来发展的瓶颈【131。
采用自主
制定的AVS标准,我国将能在技术.专利.标准.芯片.系统.整个产业链上,掌握全面的主动权。
1.1.2AVS简介 为了摆脱对具有高昂专利费的国际标准的依赖,满足我国信息
产业发展的需求,2002年6月,“数字音视频编解码
技术标准工作组,,(简称AVS工作组)在北京正式成立。
AVS工作组在长期参与国际标准制定的基础上,在相关
政府部门的大力支持以及
科研单位的
参与下,提出了我国具备自主知识产权的数字音视频编解码技术标准——《信息技术先进音视频编码标准》(Audio and Video cxxthag Standard),简称AVS标准。
AVS
代表着我国数字音视频产业的技术水平及发展
方向。
AVS属于信源编码技术,和信道编码、显示技术一起
构成数字电视的技术体系,广泛应
用于高清及标清数字电视广播、互
联网流媒体、移动多媒体
通信、视频会议与视频监控等数字音视频产业。
AVS的
优势主要集中在地面数字电视发展领域,包括压缩
效率高以及节省频道资源。
山东建筑大学硕士学位
论文 AVS标准包括系统、视频、音频、
移动视频等9个部分。
关于视频压缩的内容有2个部分:针对高分辨率数字视频
广播和高密度存储媒介的AVS Part 2和针对低复杂度、低分辨率移动通信应用的AVS Part 7。
2006年3月,l:信息技术先进音视频编码第2部分:视频》国家标准正式实施。
2009年7月,AVS被
电信联合会(ITU)iE式通过成为国际标准,与H.264、VC.1共同成为3个
视频编码国际标准之一【141。
2010年7月, 由AVS
工作组牵头制定的中国支持3D电视编码和解码标准完成定稿,并已上报主管部门审批。
该标准拥有
完整知识产权,填补了中国在3D电视标准上的空白。
此前,音视频编解码标准一直被
西方国家垄断,AVS应运而生,在数字音视频标准之争愈演愈激烈的今天,使得
全球形成了AVS、MPEG--4、H.264三足鼎立的局面。
AVS视频标准吸收了国内外研究机构近年来的优秀研究成果,以当前国际上最先进的视频编码标准MPEG-4 AVC/H.264
框架为起点,但AVS专利费用比H.264和MPEG-4标准低;与
当前国际上最
先进的视频编码标准H.264相比,拥有与其近似的压缩性能,但实现方案相对简洁。
在专利费问题上,在AVS工作组2002年成立之初,为便于产业界对AVS技术标准的采用,AVS专利池的
管理采用“一站式一许可方式,提出了许可
对象仅限解码器,每台设备l元
人民币的专利许可
原则【151。
AVS专利收取办法
平衡了专利权人、标准产品生产者、最终用户这三者的利益。
以目前4000-5000万块电视芯片规模计算的话,如果我国都采取H.264标准的话,我国1年将要有500亿元的支出,AVS一年仅征收约0.5亿元专利费。
与MPEG-2相比,AVS一年可以节省1亿元的专利费【141。
先进视频编码标准AVS获得与AVC/H.264主要档次相当的编码效率对,解码器的实现复杂度只有其60%---,70%。
如果以AVS视频标准进行标清视频广播应用。
可以将MPEG-2标准所需的5---6Mb/s传输带宽降低到1.5---3Mb/s。
因此,即使在不进行大规模宽带
光纤网络升级的情况下,借助于AVS视频技术,pTV应用也
可以在现有家用数字
用户线(DSL)
网络的2Mb/s带宽下进行大规模实施【2】。
在新的
宽带网络上,AVS视频标准使业务量翻番,可以广泛应用到高清、口TV、数字电视等
相关音视频领域。
1.2国内外研究现状及发展趋势 为了满足市场需要,人们在不断改进视频编码标准的同时,也对编解码器的实现进行了
深入的研究。
意识到新技术标准的
重要性以及远大的
市场前景,因此不管是公司企业还是科研院所都展开了对编码器以及解码器结构设计的探讨,并对AVS编解码 山东建筑大学硕士学位
论文标准
中的各个模块进行了研究。
1.2.1研究现状 根据实际应用的具体
特性和需求,AVS编解码主要产品
形态包括: (1)基于软件的视频编解码的实现 Linux和W’mdow平台上基于AVS标准的流媒体播出、
点播、回放
软件,这种方式不
需要额外的硬件开销,
改变标准、
系统升级时只需要改动
程序,易于验证和
维护,即
具有成本低、设计灵活、开发周期短的
特点。
但是这种方式实现复杂的视频编解码运算占用资源多,不利于实时处理116】。
(2)基于DSP的视频编解码
的实现 DSP可以使用多级流水结构,采用多总线多功能单元的哈佛结构,并有专门设计的适合于数字信号处理的指令系统,实际的处理
能力很强。
但是基于DSP实现视频编解码这种方法受限于固定的硬件结构,如
总线速率、
固定的乘法器数目以及固定的硬件加速器。
从而限制了基于DSP的视频编解码器只能满足画面不大、功耗要求不严格和非
价格敏感型的应用。
其次,对于视频编解码软件的
开源代码的修改、
移植过程也是相当复杂〔17,18〕。
(3)基于专用集成芯片的视频编解码的实现 专用视频编解码芯片成本较低,编解码速度较快,而且集成方便,功耗低,
适合大
规模生产及在
消费类
产品中的
推广【191。
AVS芯片可广泛应用于视频通信、视频
监控、网络电视、有线数字电视、卫星数字电视和地面传输数字电视等音视频
领域【2】。
目前,
美国泰来瑞迪和
联合信源上海国茂几家公司推出了AVS编码芯片;北京展讯、
上海龙晶微
电子、杭州国芯等国内外公司推出了AVS解码
芯片。
芯片覆盖高清、标清、手机等多种终端【141。
在
未来十多年的时间内,高清及标清AVS解码芯片和编码芯片的
国内需求量将达到年均4000多万片。
但是,专用视频编解码芯片无法灵活升级和应用
修改,整个编解码器芯片的设计、验证周期也
比较长,投片
成本高。
(铆基于FPGA的视频编解码的实现 随着VLSI工艺的提高,FPGA的规模也越来越大,并且
新型FPGA内嵌DSP内核,支持软硬件
协同设计,成为视频编解码良好的
解决方案。
这种
方案具有较高的
性能和灵
活性,
更新方便,开发成本低,应用成熟12l】。
基于FPGA的AVS编码器与解码 山东建筑大学硕士学位
论文器可满足特定系统需求,可应用在视频
会议、视频监控以及消费产品等
不同多媒
体系统。
例如端到端的视频会议系统,它可以在两个或多个与会者
之间传送压缩的比特流。
这
种类型的系统可以扩展至视频监视和安全应用,
显示台用户可以决定对所有视频相机使用镶嵌幕显示,
还是聚集于某个相机视图〔221。
Altera、Xilinx
公司都采用与
第三方
合作的方式推出了支持高清H.264标准的解决方案,Radyne公司基于Altera的StmtixII FPGA平台推出了支持高清H.264标准的
专业高清编码器AVC4000.HD,可以支持主规格(MainProfile)档次。
2006年6月,Xilinx与4i2i公司宣布推出业界第一款基于FPGA的H.264高规格(High Profile)实时视频解码器。
这款高规格解码器采用单片赛灵思Virtex-4 FPGA和由4i2i公司许可
知识产权(m)核实At21,23J。
目前,一方面已经发布的支持AVS标准的解码芯片,真正能够实现
商业应用的并不多,还
没有推出基于FPGA的AVS视频解码器。
另一方面,AVS产业尚处于起步阶段,大规模
的商业应用尚未展开,国内相关研究机构和
企业应抓住机会对基于FPGA的AVS解码器进行
研发。
1.2.2越,S视频解码器发展趋势 中国数字音视频编解码国家标准AVS于2011年11月1日正式
实施。
国标正式实施后给市场预留一年的过渡期,即从2012年11月1日,上述国标将被
强制执行,即
所有在
中国大陆上市的地面数字电视接收机(包括机顶盒、
一体机),须内置AVS解码功能,否则将不符国家标准,无法销售〔241。
意味着,中国4亿多家庭将能播放同一
格式的视频节目。
AVS发展思路不仅在国内逐步得到认可,而且在国际上也引起了高度重视。
数字音视频领域的主要
跨国企业十分认可AVS的知识产权
政策,并且看好AVS的未来,纷纷
加入AVS工作组。
AVS将在标准工作组
的基础上,联合家电、IT、广电、电信、音响等领域的芯片、软件、整机、媒体运营
方面的强势企业,抓住技术进步和标准换代的
历史性机遇,
共同打造中国数字音视频产业的光辉未来【141。
1.3课题的
意义 AVS视频编解码标准是我国为打破国外在音视频压缩标准方面的技术垄断而开发的具有自主知识产权和达到国际先进水平的数字视频编解码标准,
论文以AVS中的帧内预测和环路滤波模块的FPGA设计与实现为选题,对于推动我国AVS数字视频编解 山东建筑大学硕士学位
论文码标准的应用和产业发展具有重要的
理论意义和实际应用价值。
本文从国内外有关AVS的发展情况出发,吸收了国内外专家学者在AVS实现技术方面取得的许多研究成果,在充分掌握AVS
基本理论知识的基础上,对AVS标准帧内预测和环路滤波的算法进行进一步研究,并提出了
适用于AVS视频解码标准的帧内预.