视频编解码系统中的功能单元设计研究

论文摘要

随着信息数字化带来的数据量的急剧增加，数据压缩特别是视频信息编解码技术显得越来越重要。在已有视频压缩标准中，新近视频压缩技术标准AVS和H．264／AVC有着较高的压缩效率，同时也带来了实现代价的增加。新近视频压缩标准所带来的高压缩率的优势来源于一系列新的视频处理技术的应用，同时也使得其ASIC／FPGA实现代价增加。本文作者曾参与AVS解码器和编码器项目，负责插值、环路滤波和USB通信模块的设计与调试工作。基于这些经验，本文将以插值模块为例讨论AISC设计方法。与H．264／AVC采用6抽头滤波器处理半象素点和双线性滤波器处理1／4位置点不同，AVS标准采用4抽头滤波器处理1／2插值点和部分1／4插值点，这样的处理方式可以将数据带宽减少11％，同时也带来了1／4插值点的处理复杂度急剧增加。本文设计了一种采用并行滤波器处理单元结构对不同位置点进行插值，数据通路清晰并减少了控制复杂度。为了提高综合频率，本文提出了对滤波处理单元的改进，采用流水线输入的竖直滤波器和改进的2级对角滤波器可以大大缩短导致的延时路径。对于色度插值，文中同样提出了一种并行处理结构，复用乘法器单元对每一行的参考数据处理进行2级乘法实现。基于对参考数据相邻行之间的相关性分析，通过复用中间数据减少了运算所需要的节拍数。针对双向参考插值，本文提出了串行处理的方法，以增加一个暂存ram的代价实现了输入数据存储和运算单元的减半。最后的实现结果表明这是一种具有较高处理速度的高效插值结构。视频编解码系统中不仅需要视频压缩懈压缩单元，也需要其他辅助功能单元如图像输入输出、码流输入输出以及片外数据存储单元等。文中介绍了一种采用EZ-USB FX2CY7C68013实现视频编解码系统和PC之间进行数据USB通信的码流输入输出单元。USB功能芯片工作于异步Slave FIFO模式，视频压缩／解压缩系统中的USB通信模块作为外部主逻辑。USB通信采用块传输方式，可以提供高传输速度。实验结果表明USB通信单元的性能可以满足AVS编解码器的实时码流传送。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 视频编码原理
• 1.1.1 视频信息压缩概述
• 1.1.2 视频压缩的常用技术
• 1.1.3 视频压缩框架
• 1.2 视频编码标准介绍
• 1.2.1 视频编码标准发展历史
• 1.2.2 新近视频编码标准H.264/AVC和AVS标准介绍
• 1.3 视频压缩技术的实现方法
• 本文组织结构
• 第2章 集成电路设计方法与策略
• 2.1 集成电路设计流程
• 2.2 速度与面积的矛盾与权衡
• 2.2.1 流水线设计
• 2.2.2 乒乓操作
• 2.2.3 模块复用
• 2.2.4 串并转换与并行处理
• 2.3 通用性与专用性设计
• 本章小结
• 第3章 视频芯片中插值算法的实现
• 3.1 概论
• 3.1.1 插值算法原理
• 3.1.2 新近视频编码中的插值算法介绍
• 3.1.3 H.264/AVC插值已有实现结构的研究
• 3.2 AVS插值实现方法研究
• 3.2.1 AVS插值算法介绍
• 3.2.2 AVS插值算法分析与比较
• 3.2.3 针对AVS插值算法特点的硬件结构实现思想
• 3.3 亮度插值实现方案
• 3.3.1 亮度插值单元整体结构
• 3.3.2 寄存器阵列的规模选择与参考数据存储格式
• 3.3.3 插值计算单元
• 3.3.4 读写控制单元与插值流程
• 3.3.5 滤波处理单元与电路级优化
• 3.4 色度插值实现方案
• 3.4.1 色度插值实现复杂度分析
• 3.4.2 两种乘法器实现方案
• 3.4.3 参考数据相关性的利用
• 3.4.4 色度插值整体结构
• 3.5 插值模块整体优化
• 3.5.1 B帧双向参考处理
• 3.5.2 ITP模块双向参考控制策略
• 3.5.3 亮度插值单元控制策略
• 3.5.4 色度插值单元控制策略
• 3.5.5 ITP模块硬件实现结果
• 本章小结
• 第4章 USB通信模块设计
• 4.1 USB原理简介
• 4.1.1 USB通用串行总线简介
• 4.1.2 USB系统构成
• 4.1.3 事务处理和传输类型
• 4.2 USB功能芯片
• 4.2.1 EZ-USB FX2 CY68013芯片简介
• 4.2.2 存储区域及固件配置
• 4.3 USB通信模块
• 4.3.1 通信系统构成
• 4.3.2 PC端应用程序
• 4.3.3 工作方式选择及固件配置
• 4.3.4 下行通信模块
• 4.3.5 上行通信模块
• 4.3.6 实验结果
• 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢