HEVC幀內(nèi)預(yù)測模塊硬件設(shè)計(jì)研究.pdf

1、為了應(yīng)對高清分辨率視頻應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)傳輸以及存儲(chǔ)帶來的巨大的挑戰(zhàn)，MPEG和VCEG組織聯(lián)合制訂了新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC。為了獲得更高編碼增益，HEVC引入了更大的編碼單元，提供了更靈活的塊劃分方法，并采用了更復(fù)雜的預(yù)測方法。因此，其編碼復(fù)雜度較以往標(biāo)準(zhǔn)大幅提高，對實(shí)時(shí)編碼器的設(shè)計(jì)形成了挑戰(zhàn)。
　　本文首先介紹了視頻編碼的混合編碼框架及視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，總結(jié)了HEVC標(biāo)準(zhǔn)較以往標(biāo)準(zhǔn)的不同和改進(jìn)。通過與通用處理器方案的對比闡述了硬

2、件編碼加速的必要性、原理以及功耗優(yōu)勢。然后，本文對HEVC中變化較大且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的核心模塊幀內(nèi)預(yù)測進(jìn)行了深入的剖析，包括基于四叉樹的CU/TU塊劃分結(jié)構(gòu)、參考像素獲取、35個(gè)預(yù)測模式的預(yù)測方法和幀內(nèi)預(yù)測復(fù)雜度等方面。本文同時(shí)總結(jié)出了HEVC幀內(nèi)預(yù)測的垂直水平兩類角度模式的預(yù)測對稱性、大預(yù)測塊中預(yù)測子塊參考點(diǎn)的可平移性及相同圖像位置不同大小預(yù)測塊的預(yù)測值可共享等特征，為高效的幀內(nèi)預(yù)測硬件電路設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
　　經(jīng)過對HEVC

3、幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)的剖析，本文提出了編碼器中的重要模塊——幀內(nèi)模式選擇模塊的硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有64路無乘法器并行處理單元，通過可重構(gòu)技術(shù)使處理單元支持所有的幀內(nèi)預(yù)測塊大小與全部35個(gè)幀內(nèi)預(yù)測模式。同時(shí)，本設(shè)計(jì)將預(yù)測模式分為3類，并按照分類進(jìn)行預(yù)測子塊循環(huán)遍歷，減少了參考像素存儲(chǔ)開銷，減輕了存儲(chǔ)模塊與計(jì)算模塊間的復(fù)雜互聯(lián)。此外，本設(shè)計(jì)采用了遍歷大預(yù)測塊內(nèi)預(yù)測子塊時(shí)的雙蛇形處理順序與小預(yù)測塊的Z子處理順序兩種處理順序，并設(shè)計(jì)了可雙向流動(dòng)的寄存器

4、陣列對參考像素進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，既降低了芯片面積，又消除了流水空泡，達(dá)到了并行處理單元吞吐率的理論極限。與國際上已有文獻(xiàn)報(bào)道的成果相比，本設(shè)計(jì)對新標(biāo)準(zhǔn)的支持最為完整，不僅僅關(guān)注了并行處理單元的設(shè)計(jì)，而且考慮了參考數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的問題。本設(shè)計(jì)在最高時(shí)鐘頻率400MHz下獲得了1920×1080p/81fps的視頻吞吐率，且電路硬件效率也超出國際最新已發(fā)表設(shè)計(jì)成果的40％以上。
　　最后，對編碼環(huán)路中的幀內(nèi)預(yù)測模塊，本文也提出了其硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。