随着高清视频应用的日趋流行和视频源数量的不断增加,对视频数据的传输和存储遇到了巨大的挑战。为此,国际电信联盟和国际标准化组织联合制订了新一代高效视频编码标准HEVC。与以往的标准相比,HEVC在大幅提升压缩效率的同时也造成了实现复杂度的增加。因此,研究HEVC视频编码器及其关键模块设计具有重要的学术和应用价值。本文首先介绍了视频编码技术的研究背景、基本原理和标准化进程,全面分析了HEVC标准的各项关键技术,阐述了视频编码硬件实现方案的优势和必要性。随后,针对超高清HEVC编码器的部分关键模块,包括整像素运动估计、分像素运动估计和去块效应滤波等,进行了深入的分析与研究,提出了创新的算法和结构设计方案：●设计整像素运动估计模块时,针对由HEVC灵活的编码块结构和超高清视频应用带来的巨大运算复杂度,本文提出了一种能够同时处理多种预测单元的并行聚集树搜索算法。该算法利用运动矢量的相关性,结合共享搜索中心、合并计算匹配代价等设计方案,可以在不同预测单元间逐级高效地共享搜索过程,显著提高了模块的处理能力。●对于分像素运动估计,本文采用流水线技术将分像素插值与匹配搜索紧密耦合,在提升模块性能的同时避免了缓存大量分像素数据。并在不同搜索位置间对插值结果进行共享,降低了运算复杂度。通过分析插值计算的数据依赖关系,配合流水线结构实现了无数据冲突的处理过程。并深度优化了插值滤波器的电路结构。●与前代标准相比,HEVC的去块效应滤波技术有较大改进,复杂度略有下降。因此,其设计关键是在满足超高清视频处理能力的同时降低资源开销。针对算法特性和数据依赖关系,本文提出了全新的混合流水线结构和处理单元组织方式,及对应的处理顺序。模块最终仅使用了一份滤波计算结构和少量单通道SRAM。本文还搭建了基于FPGA的可编程片上验证平台,对模块进行验证。综上所述,本文在综合考虑处理能力和实现代价的基础上,通过运用多层次的并行处理和流水线技术,在设计中高效共享数据和计算过程,对实时超高清HEVC视频编码器及其关键模块设计进行了较为深入的研究与实践。