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在FPGA上实现H.264/AVC视频编码标准

在FPGA上实现H.264/AVC视频编码标准

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       这种方法在存在空间冗余的平面背景中特别有用。对于 Intra_4×4 预测,总共有九种预测方向;对于 Intra_16×16,则有4种预测方向。注意,在 Intra_4×4情况下,由于数据因果性,将导致对当前块上边和左边相邻的 13 个像素值的快速内存访问。对于 Intra_16×16,每边将使用 16个像素来预测一个 16×16 块。  

       多参考图像运动补偿。        

       H.264/AVC 标准为帧间编码提供了多参考帧选项。除非参考图像的数量为1,否则必须指定参考图像在多图像缓冲区内的索引位置。多图像缓冲区的尺寸决定编码器和解码器中内存的使用情况。这些参考帧缓冲区必须在编码器的运动估计和补偿阶段分别访问。  

       加权预测。         

       JVT 认为在对一些有衰弱现象的 视频 图像进行编码时,采用加权运动补偿预测可以极大地改善编码效率。  

       改善编码效率        

       除了预测方法得到改进以外,该标准设计的其他部分也对编码效率的改善进行了增强。下面两个附加特性最容易对基于关于软件和硬件分割的设计准则的整体系统架构产生影响。  



www.55dianzi.com        小块尺寸,层次化,精确匹配反变换和短字长变换。        

       同其他 标准 一样,H.264/AVC 也是对运动补偿预测残留施加变换 编码 。        

       但是,与以前采用 8×8 离散余弦变换 (DCT) 的标准不同,这种变换是施加于 4 x 4 块上,并且采用 16 位整数格式,可以精确地进行反变换。小块有助于减小分块和振铃结果,而精确整数规范则消除了编码器与反变换中的解码器之间的一切不匹配问题。        

       此外,还采用了一种基于阿达玛矩阵 (Hadamard matrix) 的附加变换,以实现已变换块的 16 个 DC 系数的冗余。与 DCT 相比,所有整数变换矩阵中只 包含从 -2 到 2 之间的整数。这样,只使用低复杂度的移位寄存器和加法器就可以通过 16 位算术计算变换和反变换。  

       算术和上下文自适应熵编码。        

       有两种熵编码方法:一种是基于上下文自适应切换变长编码集 (CAVLC) 的低复杂度技术,一种是计算要求更高的基于上下文的自适应二进制算术编码 (CABAC) 算法。        

       CAVLC 是 H.264/AVC 的基本熵编码方法。其基本编码工具包括一个结构化 Exp-Golomb 编码 VLC,它通过单独定制的映射,可应用于除与量化变换系数有关的语法元素以外的所有语法元素。CABAC则采用了一种更为复杂的编码方案。        

       首先,根据一种预定义的扫描模式,将变换系数映射到一个 1 维数组。量化后,块将只包含一些重要的非零系数。        

       根据该统计结果,使用5个数据元素来传递特征 4 × 4 块的量化变换系数的信息。使用 CABAC 可进一步改善熵编码的效率。        

       CABAC 中的两个部分。规定算术编码内核引擎及其相关的概率估计是免乘法、低复杂度方法,只能使用移位和查找表。自适应编码的使用使之能够与非静止符号统计适应。通过采用根据前面编码语法元素进行估计从而在条件概率模型间切换的上下文建模方法,CABAC 可获得比 CAVLC 低 5~15% 的位速率。

典型H.264/AVC硬件/软件功能块分割

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图2  典型H.264/AVC硬件/软件功能块分割        

       图 2 显示了 H.264/AVC SD 视频 编解码器系统级功能块的典型分割。该解决方案基于针对 TI公司的TMS320DM642 DSP 的 SpeCTRum Digital EVM DM642 评估模块,结合 Xilinx XEVM642- 2VP20 Virtex-II Pro或XEVM642-4VSX25 Virtex-4子插件板实现。  

        结语        

        以最优模式使用时,与以前的视频编码标准(如 MPEG-4 第 2 部分和 MPEG-2)相比,H.264/AVC 标准的编码工具可在很宽的位速率和分辩率范围内使编码效率提高约50%。但是,当分辩率比源输入格式 (SIF) 高时,算法极为复杂。  

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       参考文献

      “联合 视频 规范国际 标准 ITU-TU 建议草案和最终草案 (ITU-T Rec. H.264/ISO/IEC 14 496-10 AVC),”ISO/IEC MPEG 与 ITU-T VCEG 联合视频工作组 (JVT) ,JVT-G050, 2003

       A. Luthra、G.J. Sullivan 和 T. Wiegand,2003 年 7 月。“有关 H.264/AVC 视频 编码 标准的专门问题”。 IEEE Trans.电路系统视频技术 13(7): 557-725



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