基于VLSI实现的视频编码关键算法研究

论文摘要

多媒体通信尤其是视频通信由于其越来越广泛的应用从而成为当今最具有吸引力的研究课题之一。随着技术的进步,视频应用的平台由计算机和机顶盒扩展到手持设备,如个人数字助理和智能手机等,这对视频编码的VLSI实现提出了新的要求(低功耗和低成本)。国际视频编码标准在很大程度上促进了视频编码应用的普及,而国际视频编码标准中开放的关键算法决定了视频编码的性能。在当前的国际视频编码标准中,运动估计和码速率控制算法正是这些开放的关键算法。本文结合VLSI实现,对国际视频编码标准中的运动估计算法和码速率控制算法进行了深入研究,取得了一定的成果,并实际应用于视频编解码芯片的设计中。本文的主要工作和研究成果如下:1.结合全搜索运动估计的一维阵列VLSI实现结构,提出了一种易于VLSI实现的低复杂度运动估计快速算法―分层准全搜索法。该算法在计算复杂度仅为全搜索四分之一时取得了和全搜索可比的性能。与其它快速搜索算法相比,该算法具有很强的鲁棒性。该算法流程简单,数据流规则,适合VLSI实现。本文提出了一种分层准全搜索对应的VLSI结构,并给出了实现结果。2.利用整像素搜索和亚像素搜索的联系,建立了二者之间的数学模型,从而提出了一种低复杂度快速半像素级运动估计算法。该算法根据3种不同数学模型,用整像素级运动估计的结果直接预测半像素运动估计的结果,并用民主集中制的投票来确定最终的半像素运动矢量。该算法避免了半像素插值和匹配过程,计算复杂度低,易于VLSI实现。实验结果表明该算法可获得较好的图像质量。3.基于软硬件协同设计的思想,提出了一种高效的可编程运动估计处理器VLSI结构。设计的运动估计处理器支持多种高效的快速运动估计算法,支持1MV、4MV、非限制性运动矢量和半像素精度运动估计。该处理器还能支持解码时的半像素插值功能。设计的运动估计处理器能为H.261/H.263,MPEG1/2/4中的运动估计和运动补偿提供完整的解决方案。实际的VLSI设计结果表明该处理器在运行PMVFAST算法时工作在40MHz就能支持CIF格式30帧/秒的MPEG4实时编码。4.在DCT域建立合理的率失真模型,应用于TMN8码速率控制算法,提出了一种新的低时延视频编码码速率控制算法。该算法不仅取得了同TMN8算法一致的性能,还具有计算复杂度低、鲁棒性好的优点。与TMN8算法相比,新算法能够应用到I帧编码和引入了帧内预测编码的MPEG4编码中。由于新算法在变换域建立的率失真模型,能够方便地应用到视频转码编码中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 发展历程和技术现状
• 1.1.3 研究方向
• 1.2 本文研究内容及主要贡献
• 1.3 本文的结构安排
• 第一章参考文献
• 第二章 视频编码关键算法及其 VLSI 实现
• 2.1 视频编解码基本框架及视频处理器
• 2.1.1 视频编解码基本框架
• 2.1.2 视频处理器
• 2.2 运动估计
• 2.2.1 运动估计及其分类
• 2.2.2 运动估计VLSI 实现方法
• 2.3 码速率控制算法
• 2.4 本章小结
• 第二章参考文献
• 第三章 分层准全搜索块匹配算法及其 VLSI 构架
• 3.1 运动估计算法专用VLSI 结构设计流程简介
• 3.2 全搜索运动估计算法VLSI 实现结构
• 3.3 分层准全搜索算法及其VLSI 实现结构
• 3.3.1 分层准全搜索算法
• 3.3.2 VLSI 实现结构及其SOC 集成
• 3.3.3 分层准全搜索算法性能分析及VLSI 实现结果
• 3.4 本章小结
• 第三章参考文献
• 第四章 基于 VLSI 实现的快速半像素级搜索算法
• 4.1 引言
• 4.2 半像素级运动估计
• 4.3 基于数学预测模型的快速半像素级运动估计算法
• 4.3.1 绝对误差和（SAD）数学预测模型
• 4.3.2 基于数学预测模型的快速半像素级搜索算法
• 4.4 实验结果与复杂度分析
• 4.5 本章小结
• 第四章参考文献
• 第五章 可编程运动估计处理器
• 5.1 引言
• 5.2 可编程运动估计处理器设计
• 5.2.1 设计方法
• 5.2.2 总体构架
• 5.2.3 存储器结构和寄存器组织
• 5.2.4 指令
• 5.2.5 工作流程
• 5.3 VLSI 实现结果
• 5.4 本章小结
• 第五章参考文献
• 第六章 低复杂度低时延码速率控制算法
• 6.1 引言
• 6.2 新的低复杂度码速率控制算法
• TMN8 的理论基础'>6.2.1 RC_TMN8 的理论基础
• TMN8 码率控制算法'>6.2.2 新的RC_TMN8 码率控制算法
• 6.3 实验结果和结论
• 6.4 本章小结
• 第六章参考文献
• 结束语
• 论文总结
• 工作展望
• 攻读博士期间的研究成果
• 发表的论文
• 申请的专利
• 攻读博士期间参加的主要科研项目
• 致谢