基于FPGA的MPEG2視頻硬件解碼器的實(shí)現(xiàn)

1、碩士學(xué)位論文答辯基于基于FPGA的的MPEG2視頻硬件解碼器的實(shí)現(xiàn)視頻硬件解碼器的實(shí)現(xiàn) 姓姓 名：名：學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：專專 業(yè)：集成電路設(shè)計(jì)業(yè)：集成電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師：2 內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱l課題背景與意義課題背景與意義lMPEG2視頻編解碼原理視頻編解碼原理l解碼器架構(gòu)與模塊分析解碼器架構(gòu)與模塊分析 l仿真與效果仿真與效果l總結(jié)展望總結(jié)展望3 背景及意義背景及意義l MPEG2 壓縮編碼技術(shù)是多媒體計(jì)算機(jī)、多媒體通信、常規(guī)電視數(shù)字化、高清晰度電視（HDTV）以及交互式電視系統(tǒng)等的關(guān)鍵技術(shù)。l 美國(guó)的ATSC、歐洲的DVB、日本的ISDB數(shù)字電視廣播系統(tǒng)都把MPEG2作為信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。而我

2、國(guó)央視也將MPEG2作為數(shù)字高清的編解碼標(biāo)準(zhǔn)。l 國(guó)內(nèi)目前主要的視頻解碼方式仍然是軟件，在硬件解碼上進(jìn)行研究與開發(fā)是很必要的。4MPEG2視頻編解碼原理視頻編解碼原理 壓縮壓縮原始視頻原始視頻編碼編碼 解碼解碼 恢復(fù)視頻恢復(fù)視頻 編解碼過程即是壓縮與解壓縮的過程編解碼過程即是壓縮與解壓縮的過程視頻視頻 文件文件5MPEG2視頻編解碼原理視頻編解碼原理l 顏色空間轉(zhuǎn)換顏色空間轉(zhuǎn)換 ：RGB YCbCr壓縮方法：壓縮方法：像素像素R G B Y Cb Cr YCb Crl 差值編碼（運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償）差值編碼（運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償）方式方式1： 圖圖1 、 圖圖2 、 圖圖3 圖圖1 、 圖圖2 、 圖圖3 方式方式

3、2：圖圖1 、 （圖（圖2-圖圖1） 、 圖圖3-（圖（圖2-圖圖1） 圖圖1 、 圖圖2 、 圖圖3 表示為表示為6l 時(shí)時(shí) 頻域轉(zhuǎn)換（離散余弦變換頻域轉(zhuǎn)換（離散余弦變換DCT）+ 量化量化MPEG2視頻編解碼原理視頻編解碼原理xyuv 很多很多0非非0均勻均勻分布分布DCT量化量化uv 0非非0l 變長(zhǎng)編碼：變長(zhǎng)編碼： 用較短的二進(jìn)制串表示經(jīng)常出現(xiàn)的圖像數(shù)據(jù)模式，用較用較短的二進(jìn)制串表示經(jīng)常出現(xiàn)的圖像數(shù)據(jù)模式，用較長(zhǎng)的二進(jìn)制串表示不經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模式。長(zhǎng)的二進(jìn)制串表示不經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模式。 量化量化： 用一個(gè)數(shù)代表一個(gè)范圍的數(shù)：用一個(gè)數(shù)代表一個(gè)范圍的數(shù)： 010 0 1125 15 261

4、00 30 7 差分運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼差分運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼 變長(zhǎng)編碼變長(zhǎng)編碼 編碼鏈編碼鏈 解碼鏈解碼鏈原始視頻原始視頻視頻視頻 文件文件 DCT 量化量化差分運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償解碼差分運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償解碼 變長(zhǎng)解碼變長(zhǎng)解碼VLC恢復(fù)視頻恢復(fù)視頻視頻視頻 文件文件 IDCT 反量化反量化8 MPEG2視頻硬件解碼器構(gòu)架視頻硬件解碼器構(gòu)架解碼鏈解碼鏈預(yù)測(cè)基準(zhǔn)值預(yù)測(cè)基準(zhǔn)值差值差值9解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)一一 數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)提取(Head&VLC)模塊模塊 圖像序列層圖像序列層 序列起始碼、圖像大小、量化矩陣序列起始碼、圖像大小、量化矩陣GOP0GOP1 圖圖1 圖組起始碼、圖像編碼類型圖組起始碼、圖像

5、編碼類型 圖組層圖組層 圖圖2 02000001000000100000001 4002000000001000000000110解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)一一 數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)提取(Head&VLC)模塊模塊 11解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)二二 反量化反量化(Inverse Quantization)模塊模塊 反量化即將量化后的數(shù)據(jù)逆運(yùn)算回原來的數(shù)據(jù)，并且控制溢反量化即將量化后的數(shù)據(jù)逆運(yùn)算回原來的數(shù)據(jù)，并且控制溢出和誤差出和誤差 非內(nèi)部塊非內(nèi)部塊 內(nèi)部塊內(nèi)部塊00_*00Fintra dc mult QF (2 )* * _)/32F v uQFv uk W

6、q scale 2047 2047 -2048 2047 -2048 2048 F v uF u vF v uF v uF v u（飽和化）（飽和化）7700 (u!=7) & (v!=7) 77= 1 Even& 1 Odd& EvenuvsumF u vF u vF u vF u vsum is OddFF u vsum isF u v is OddF u vsum isF u v is（誤配控制）（誤配控制）12解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)二二 反量化反量化(Inverse Quantization)模塊模塊 5級(jí)規(guī)范流水級(jí)規(guī)范流水13解碼鏈模塊分析與

7、設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)三三 二維反離散余弦變換二維反離散余弦變換(IDCT)模塊模塊 頻域到時(shí)域頻域到時(shí)域1 8X8二維二維IDCT表示為公式：表示為公式：77001(21)(21)( , )( ) ( ) ( , )coscos41616uvxuyvf x yC u C v F u v1( 0 1 2 3)Yyy yy2( 7 6 5 4)Yyyy y1( 0 2 4 6)Xxxxx2( 1 3 5 7)Xx x x x1122YXIDCTYX 令一維IDCT： 2 設(shè)： 可以將二維可以將二維IDCT看作一維看作一維IDCT的串、并行運(yùn)算的串、并行運(yùn)算則根據(jù)Chen算法，可以得到：112Y

8、PXQX212YPXQX 其中：acafafacPafacacafbdegdgbeQebgbgedb13537( )(cos cos cos cos cos cos cos) 241681616816a b c d e f g14112YPXQX解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)三三 二維反離散余弦變換二維反離散余弦變換(IDCT)模塊模塊 頻域到時(shí)域頻域到時(shí)域 3 根據(jù) Chen 算法，需要設(shè)計(jì)的功能單元為212YPXQX 即：0-21-4-6acafxafacxPXafacxacafx 微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)15解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)三三 二維反離散余弦變換二維反離散余弦變換

9、(IDCT) 一維運(yùn)算單元微結(jié)構(gòu)一維運(yùn)算單元微結(jié)構(gòu) 頻域到時(shí)域頻域到時(shí)域共消耗共消耗90T16解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)四四 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上是根據(jù)兩幅圖之間由運(yùn)動(dòng)向量所指的差值關(guān)系，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上是根據(jù)兩幅圖之間由運(yùn)動(dòng)向量所指的差值關(guān)系，根據(jù)參照?qǐng)D將目標(biāo)圖恢復(fù)。根據(jù)參照?qǐng)D將目標(biāo)圖恢復(fù)。1234（加上解碼出來的差值）（加上解碼出來的差值）（線性插值處理：（線性插值處理： 17X1716X16）參考圖參考圖被預(yù)測(cè)圖被預(yù)測(cè)圖17解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)四四 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中插值舉例：運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中插值舉例：18解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)解碼鏈模塊分析與設(shè)計(jì)四四 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償19仿真與效果仿真與效果仿真模型仿真模型仿真波形仿真波形20仿真與效果仿真與效果21總結(jié)展望總結(jié)展望l詳細(xì)研究了MPEG2視頻部分的協(xié)議l基于Xilinx