H.264/AVC帧内编码优化算法及解码硬件实现

H.264/AVC帧内编码优化算法及解码硬件实现

论文摘要

新的视频编码标准H.264/AVC在压缩比和编码质量上比原有的视频编码标准都有了明显的提高。在相同的视觉感知质量上,H.264/AVC编码效率比以往的视频编码标准提高了50%左右,并且有更好的网络友好性。H.264/AVC在基本框架下对其主要关键部件都做了重大改进,如多模式运动估计、帧内预测、基于内容的变长编码、4×4二维整数变换等,这使得其实现难度要显著高于以往的视频编码标准。总之,H.264性能的改善是以增加复杂性为代价而获得的。本文介绍了H.264/AVC视频压缩编解码标准,以及作者分别对视频编码端帧内预测优化算法和解码端的宏块级帧场自适应帧内预测和残差计算的硬件实现研究。在编码端,针对全搜索算法的高计算量和难以实现实时编码,提出了一种快速的帧内预测算法。该算法根据量化系数Qp,缩小预测模式的选择范围;通过判断全零或近似全零残差块,引入提前终止方法;并结合最优预测模式和次优模式的方向相邻性,进一步减小预测的计算量。仿真结果表明,该算法能降低40%~96%的帧内预测计算量,同时保持视频的图像质量几乎不变。对解码端主要关注其硬件实现,对支持宏块级帧场自适应的H.264/AVC帧内预测和残差系数反变换反量化进行深入分析,提出了一种易于硬件实现的H.264/AVC解码器的帧内模块算法并给出了其硬件结构,采用流水线方法,分解计算等多种优化计算方法提高硬件系统的并行度。从实验结果看,作为硬件实现方案,完全能达到实时要求。系统已经通过ALTERA的STRATIXⅡFPGA验证,工作频率可达到80MHz,完全可以达到实时解码。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 论文研究背景
  • 1.2 视频压缩编码的国内外研究现状
  • 1.3 研究工作概要及论文章节安排
  • 1.3.1 主要研究工作
  • 1.3.2 论文章节安排
  • 第二章 H.264/AVC视频编码标准的技术特点
  • 2.1 网络抽象层
  • 2.2 视频编码层
  • 2.2.1 变换、缩放及量化
  • 2.2.2 帧内预测
  • 2.2.3 帧间预测
  • 2.2.4 熵编码算法
  • 2.2.5 去块效应滤波器
  • 2.3 H.264/AVC视频编码的优势
  • 第三章 H.264/AVC帧内预测及快速算法的研究
  • 3.1 帧内预测模式
  • 3.1.1 亮度4×4 块帧内预测模式
  • 3.1.2 亮度16×16 宏块帧内预测模式
  • 3.1.3 色度8×8 帧内预测模式
  • 3.2 对预测模式的编码
  • 3.3 H.264/AVC帧内预测的全搜索方法
  • 3.4 帧内预测快速算法的研究
  • 3.4.1 量化系数与帧内预测模式的研究
  • 3.4.2 残差值与预测模式关系的研究
  • 3.4.3 缩小预测模式范围的研究
  • 3.4.4 算法描述
  • 3.4.5 实验及结果分析
  • 3.4.6 结论
  • 第四章 H.264/AVC解码系统帧内模块的硬件实现
  • 4.1 变换系数解码工作原理
  • 4.1.1 变换系数逆扫描过程
  • 4.1.2 DCT变换系数中直流系数的逆变换量化
  • 4.1.3 残差变换系数的反量化
  • 4.1.4 残差变换系数的逆DCT变换
  • 4.2 支持宏块级帧场自适应的帧内预测
  • 4.3 H.264/AVC解码器帧内模块硬件实现框图
  • 4.4 帧内模块设计性能分析
  • 结束语
  • 致谢
  • 参考文献
  • 研究成果
  • 相关论文文献

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