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多标准离散余弦变换算法及VLSI体系研究与实现

作　者: 朱竹青
导　师: 郭裕顺；秦兴
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 多标准图像和视频编码 离散余弦变换 FPGA IP核
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 32次
引　用: 1次
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内容摘要


离散余弦变换DCT(Discrete Cosine Transform)是一种正交变换,广泛应用于视频、图像处理技术中,包括当前的主流图像视频编码标准JPEG、MPEG-4、H.264、AVS等。目前对于支持单个标准的DCT算法已经很成熟,但是对于支持多个标准的DCT算法还比较少,特别是能同时支持以上四个标准的DCT算法。本论文主要研究内容包括以下几个方面:首先,重点研究了各个标准编码器的DCT算法以及相关的缩放量化的工作原理。在研究了各种DCT算法的优缺点基础上,从面积,速度,和精度等方面探索了DCT复用的VLSI结构。本文对H.264里面的2×2哈达玛、4×4哈达玛、4×4DCT、8×8DCT进行复用,节省了面积。通过引入整数变换矩阵和增加缩放模块,设计了复用JPEG、MPEG-4和H.264的DCT结构。算法经过Xvid MPEG-4编解码器验证,精度满足要求。对缩放模块提出2种方案,并对缩放模块进行优化,优化了面积和频率。通过设计基于矩阵分解法和基于W.H.Chen结构两种结构,实现了H.264和AVS的8×8DCT的复用,节省了大量的面积。对于一维8×8DCT算法,前者所耗加法器个数为42个,后者为36个,后者比单独实现AVS的参考代码中的一维DCT算法更节省。在上面的基础上,提出能使用与这4种标准的通用DCT算法结构,并进行了优化设计。针对JPEG、MPEG-4和AVS共用的缩放一模块进行了优化设计,提出复用8个乘法器方案,和复用66个加法器方案,优化了面积和频率。针对这4个标准的共用的缩放二量化结合模块进行了设计,节省了面积。其次,完成了多标准离散余弦变换的硬件实现,主要包括,控制模块,FDCT1/FDCT2模块,转置模块,缩放一模块,缩放二量化结合模块的设计实现。针对转置模块,在保证吞吐量和速度的基础上,减小了流水深度,并优化了面积。在缩放一模块的乘法器方案和缩放二量化结合模块中,优化了补码乘法器,减小了面积,并提高了频率。最后,完成了多标准DCT的PC仿真和FPGA原型验证。并且完成了PC自动验证平台和FPGA自动验证平台的搭建。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 前言  10-13
    1.1.1 JPEG 标准简介  11
    1.1.2 MPEG-4 标准简介  11-12
    1.1.3 H.264 标准简介  12-13
    1.1.4 AVS 标准简介  13
  1.2 国内外技术现状与发展趋势  13-15
    1.2.1 国内外多标准编解码技术发展  13-14
    1.2.2 国内外DCT 技术发展  14-15
  1.3 论文工作的主要研究内容  15-16
  1.4 论文组织结构  16-17
第二章 离散余弦变换原理与快速算法  17-30
  2.1 变换编码的基本原理  17
  2.2 DCT 变换基本原理  17-20
    2.2.1 一维DCT 变换  17-18
    2.2.2 二维DCT 变换  18-20
  2.3 快速DCT 算法  20-27
    2.3.1 快速DCT 算法的结构  20-22
    2.3.2 W.H.Chen 算法  22-24
    2.3.3 AAN 算法  24-26
    2.3.4 LLM 算法  26-27
  2.4 整数余弦变换（ICT、PIT）  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章 多标准离散余弦变换的设计  30-53
  3.1 H.264 的DCT 算法复用设计与优化  30-34
    3.1.1 4×4 DCT 与4×4 哈达玛变换复用  30
    3.1.2 4×4、2×2 哈达玛变换复用  30-32
    3.1.3 H.264 4×4 DCT 与8×8 DCT 复用  32-34
  3.2 JPEG、MPEG-4、H.264 的8×8 DCT 复用设计与优化  34-39
    3.2.1 JPEG、MPEG-4 中引入8×81CT 算法  34-35
    3.2.2 基于乘法器的缩放设计  35-36
    3.2.3 基于加法器和移位器的缩放设计  36-38
    3.2.4 JPEG、MPEG-4、H.264 的8×8 DCT 复用的算法精度验证  38-39
  3.3 H.264 8×8 DCT 与AVS 8×8 DCT 算法复用设计与优化  39-46
    3.3.1 基于矩阵分解法的DCT 复用的优化设计  39-44
    3.3.2 基于W.H.Chen 结构的DCT 复用的优化设计  44-46
  3.4 缩放和量化的结合设计  46-52
    3.4.1 JPEG 中的量化  46-47
    3.4.2 MPEG-4 SP 中的量化  47
    3.4.3 H.264 HP 中的缩放和量化  47-49
    3.4.4 AVS 中的缩放和量化  49-51
    3.4.5 多标准复用的缩放和量化  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章 多标准离散余弦变换的硬件实现  53-74
  4.1 多标准DCT 变换模块的整体结构  53-54
  4.2 控制模块的设计实现  54-56
  4.3 FDCT1/FDCT2 模块的实现  56-59
  4.4 转置模块的硬件实现与优化  59-65
    4.4.1 基于Ping-Pong 结构的转置模块硬件实现  60-61
    4.4.2 基于三角寄存器阵列的转置模块的硬件实现  61-62
    4.4.3 基于寄存器组复用的优化方案的转置模块硬件实现  62-65
  4.5 缩放一模块的设计与实现  65-68
    4.5.1 基于乘法器阵列的缩放一模块方案  66-67
    4.5.2 基于加法移位器阵列的缩放一模块方案  67-68
  4.6 缩放二量化结合模块的实现与优化  68-73
    4.6.1 缩放二量化结合模块的硬件实现  69-71
    4.6.2 补码乘法器的优化[56]  71-73
  4.7 本章小结  73-74
第五章 多标准离散余弦变换模块的验证  74-82
  5.1 多标准离散余弦变换模块的PC 模拟验证  74-79
    5.1.1 多标准离散余弦变换模块PC 模拟调试验证平台  74
    5.1.2 多标准2D-DCT PC 模拟自动验证平台  74-78
    5.1.3 多标准2D-DCT 的仿真  78-79
  5.2 多标准离散余弦变换模块的FPGA 原型验证  79-81
  5.3 本章小结  81-82
第六章 总结与展望  82-84
致谢  84-85
参考文献  85-89
附录  89

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 大规模集成电路、超大规模集成电路
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