AVS帧间预测技术的FPGA实现

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AVS(Audio Video coding Standard)标准是具有我国自主知识产权的数字视音频编码标准。帧间预测技术有效地去除了视频信息存在的时间冗余,减少了数据存储量,从而使视频数据高效压缩,在AVS标准中占据着重要的位置。  本文首先阐述了AVS视频编码发展的背景及目前的发展现状,详细介绍了帧间预测技术的原理和算法。本文在传统的全搜索算法基础上,提出了一种改进的搜索算法,即先隔点再逐点的搜索方式。本文针对16×16宏块在32×32搜索区域中采用先隔点后逐点的搜索方式找出最佳匹配块。在保证搜索结果精确性的基础上,该算法可使搜索点减少约50%,硬件资源减少50%。本文的搜索算法在传统搜索算法处理周期数和精确性方面达到了良好的折中。  其次,本文详细地设计了帧间预测的硬件结构。该硬件结构主要包括控制模块、地址模块、当前块和参考区域数据存储器模块、SAD结构模块、比较模块等。控制模块控制着整个硬件结构,地址模块在控制模块的作用下生成地址信号,该地址信号作用于存储器,存储器在地址信号的作用下依次输出当前块数据和参考块数据。然后将当前块和参考块两组数据并行输入到SAD结构中进行运算操作,即求两组对应数据的绝对差值和(SAD)。SAD结构由8个并行的PE单元构成,运算时采用并行输入并行输出方式,得到隔点搜索每行搜索块的SAD值。然后将这些SAD值经过比较模块求出隔点搜索算法最小的SAD值。最后以该点为中心,在其周围进行逐点搜索,得到最小的SAD值。比较隔点搜索和逐点搜索的最小值SAD,即可得到16×16宏块在整个32×32搜索区域中的最佳匹配块。  最后,本文使用Verilog语言对帧间预测硬件结构的各个模块进行RTL级描述,然后使用Modelsim软件进行了功能仿真,使用Quartus II工具进行了综合,最终采用Altera FPGA开发板进行了验证。验证结果与该理论值保持一致,证明了本文设计的正确性。本文综合后的时钟频率能达到194.55MHz,吞吐率达到85.61M个像素点/秒,能保证视频编码数据的实时处理。最终的仿真及验证结果表明,本文设计的帧间预测硬件结构达到了预期的要求。
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