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ARPS运动估计算法的硬件实现

作　者: 袁曦
导　师: 唐广；徐彤
学　校: 电子科技大学
专　业: 软件工程
关键词: 运动估计 MPEG-4 FPGA 块匹配 ARPS
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着多媒体技术的不断发展,视频压缩编码技术随之成为一个重要的研究领域。其中MPEG-4是目前视频压缩一种流行的压缩标准,相较于现今其他的压缩标准,MPEG-4在传输量的节省与编码失真的控制上都有着显著的改善,但是复杂度编码处理使得即使编码应用的可行性不受到保证,以及庞大的运算量会造成严重的功率消耗。而运动估计是视频压缩中一个关键的技术,视频压缩系统的复杂程度取决于运动估计算法。因此,高性能的运动估计算法是运动估计的研究热点。本论文的首要目标是最佳化MPEG-4运动估计架构降低其运算复杂度,我们基于低功耗演算来实现MPEG-4运动估计架构,设计出弹性化得架构来应对各种应用下的需求。全文首先介绍视频压缩和块匹配的基本理论以及各种指标,讨论各类块匹配算法的优劣,最后找出一种最佳实现的高性能算法。本文对已用于块匹配中全搜索算法的VLSI模型进行改进,设计出符合自适应十字算法(Adapitive Rood Pattern Aearch(APRS))要求的FPGA实现结构,运用VHDL硬件描述性语言,以及ISE和Modelsim开发工具完成对各功能模块的设计、实现以及仿真。最后,对全局运动估计模块进行功能和行为仿真,根据仿真结果验证本文设计各模块功能正常,并能够正常协同工作,使整个运动估计模块能够正常运行,实现自适应十字算法。通过对占用资源以及时钟频率分析验证自适应十字算法在各种同类算法中的可用性和优越性

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章引言  9-14
  1.1 数字视频压缩技术概述  9
  1.2 视频压缩原理  9-10
  1.3 视频压缩标准及其发展  10-13
    1.3.1 H.261 标准  10-11
    1.3.2 H.263 标准  11
    1.3.3 MPEG-1 标准  11-12
    1.3.4 MPEG-2 标准  12
    1.3.5 MPEG-4 标准  12-13
    1.3.6 H.264 标准  13
  1.4 本文内容安排及其成果  13-14
第二章块匹配运动估计算法  14-22
  2.1 运动估计原理  14-17
    2.1.1 宏块大小的划分  15-16
    2.1.2 匹配准则  16-17
  2.2 典型的几种块匹配运动估计算法  17-21
    2.2.1 全搜索法（FS）  17
    2.2.2 三步搜索法（TSS）  17-18
    2.2.3 钻石搜索法（Diamond Search)  18-20
    2.2.4 带有零运动预测的自适应十字模式搜索算法（ARPS-ZAMP)  20
    2.2.5 其他搜索模式  20
    2.2.6 几种典型算法的性能比较  20-21
  2.3 本章小结  21-22
第三章 MPEG-4 标准简析  22-30
  3.1 MPEG-4 的编码思想  22-23
  3.2 MPEG-4 的数据结构  23
  3.3 VOP 编码  23-28
    3.3.1 形状编码  24
    3.3.2 运动估计和补偿  24-28
    3.3.3 纹理编码  28
  3.4 分割技术  28-29
  3.5 Sprite 技术----背景全景图编码  29
  3.6 本章小结  29-30
第四章自适应十字搜索算法的架构  30-43
  4.1 ARPS-ZAMP 算法概述  30-31
  4.2 ARPS 实现方法  31-35
    4.2.1 目标运动矢量的预测  31-32
    4.2.2 选择合适的搜索模型  32
    4.2.3 臂长的选取  32-33
    4.2.4 初始点的确定  33-34
    4.2.5 总结ARPS-ZAMP 算法  34-35
  4.3 ARPS-ZAMP 算法现实架构  35-42
    4.3.1 设计方法  35
    4.3.2 自顶向下的设计和嵌套模块  35
    4.3.3 设计流程  35-36
    4.3.4 ARPS-ZAMP 架构  36-37
    4.3.5 1-D Linear PE Array YANG 结构  37-39
    4.3.6 改进型的结构图  39-42
  4.4 本章小结  42-43
第五章系统程序设计与调试  43-65
  5.1 开发工具简介  43-44
    5.1.1 XilinxISE10.1 简介  43-44
    5.1.2 modelsim 简介  44
    5.1.3 芯片选取  44
  5.2 设计语言VHDL 简介  44-46
    5.2.1 VHDL 语言的主要特征  45
    5.2.2 VHDL 的程序结构  45-46
  5.3 运动估计模块的功能模块划分  46-48
    5.3.1 运算处理模块的设计  46-47
    5.3.2 运动估计工作流程  47-48
  5.4 功能模块的设计与实现  48-62
    5.4.1 存储模块  48-49
    5.4.2 地址控制模块  49-56
    5.4.3 运算模块  56-62
    5.4.4 CPU 控制模块  62
  5.5 运算结构的验证与分析  62-65
第六章结论与展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
附录  70-76

ARPS运动估计算法的硬件实现

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