基于FPGA的H.264视频编码器设计研究及其在电力遥视系统中的应用

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电力遥视系统是一种以视频信息为主的电力自动化系统,由于视频信息数据量大,设计电力遥视系统必须要解决的一项关键技术就是视频压缩编码。由ISO和ITU-T于联合制定并于2003年发布的H.264是新一代视频压缩标准,也是目前图像通信领域研究的热点。论文对H.264编码标准进行了系统深入的分析,重点研究了H.264基本档次所采用的各项技术。H.264编码标准共有三个档次,对应不同的应用场合,其基本档次能满足遥视系统对视频质量的要求。H.264标准的基本档次使用技术包括:帧内预测,帧间预测,整数DCT,量化,上下文自适应变长编码(CAVLC),Exp-Golomb编码和自适应去块滤波。 H.264编码标准使用的帧内预测技术包括亮度4×4预测,亮度16×16预测,色度8×8预测,每一种预测类型又包含若干种可供选择的预测模式。H.264.的帧间技术跟以前的编码标准相比有很大的改进,引入可变块尺寸运动估计,1/4像素精度的运动矢量以及多帧参考技术。与以前的标准不同,H.264不用8×8离散余弦变换(DCT),代之以仅有整数加减法和移位运算的4×4整数DcT。就量化而言,H.264.使用了多大52个量化步长。H.264以4×4块为基本处理单元,丰富了图像细节,但也导致了方块效应,为此引入自适应去块滤波,以平滑4×4块的边界。 论文深入分析了H.264编码标准的帧内预测,整数DCT,量化,上下文自适应变长编码(CAVLC)以及整数逆DCT,反量化的实现算法,并结合各算法的软件实现方式,提出了相应的硬件解决方案。在以上分析的基础上,并考虑到电力遥视系统的实际应用需求,提出了一种基于FPGA的H.264编码器设计方案,用VHDL语言设计了编码器的各个功能模块,以Altera的Quartus Ⅱ 5.0为综合及仿真平台,验证了设计方案。验证表明,论文提出的方案能够实现H.264编码标准基本档次的编码,解码出来的视频图像清晰度较高。 论文首先研究了电力遥视系统的基本原理及相关技术,重点研究了电力遥视系统中的关键技术——视频压缩编码技术的现状及发展情况。随后介绍了FPGA的相关知识以及FPGA的开发设计工具和开发平台。开发设计的工具很多,总的来说,可分为方块图和硬件描述语言,论文主要对硬件描述语言VHDL语言作了简要介绍。论文介绍了设计时采用的开发平台Altera Quartus Ⅱ 5.0。其次研究了新一代视频编码H.264,主要研究了H.264基本档次所采用的各项技术。最后给出了基于FPGA的H.264编码器设计方案及仿真测试和验证。本文的研究工作得到国家自然科学基金重点项目60474048,60534040,及广东省科技计划项目2004A10502001的资助。
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