面向HEVC运动估计的编码算法及其VLSI架构研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：面向HEVC运动估计的编码算法及其VLSI架构研究作者：连晓聪学科专业：电子科学与技术指导教师：段哲民教授2017年1月Title:TheEncodingAlgorithmandVLSIArchitectureforHEVCMotionEstimationByLianXiaocongUndertheSupervisionofProfessorDuanZheminADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoft

2、herequirementForthedegreeofDoctorofElectronicScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaJanurary2017摘要摘要随着互联网和多媒体技术的发展，视频编码技术广泛应用于计算机、通信、广播电视等领域。针对视频应用不断向高清晰度、高帧率、高压缩率方向发展的趋势，原有的H.264/AVC视频编码标准的局限性不断凸显。因此，高效视频编码标准（HighEfficiencyVideoCoding,HEVC）应运而生。HEVC标准沿用了现有的H.264/AVC视频编码标准的混合编码框架，保留其中的先进技术，

3、同时对一些已经不适应当前视频发展趋势的技术加以改进或剔除。它的目标是与H.264/AVC标准相比，降低50%的比特率。虽然关于HEVC的众多设计在编码性能和速度方面取到了非常好的效果，但编解码器，尤其是运动估计模块巨大的参考帧传输给外部存储的带宽和功耗带来了巨大的挑战。因此，本文将重点研究面向HEVC运动估计的插值滤波器和参考帧压缩系统，从算法和VLSI架构两方面进行系统深入的研究。（1）设计了一种高吞吐率的并行流水分数点插值滤波器，提高了HEVC编解码器中分数像素内插值的吞吐率。首先，提出一种易于VLSI硬件实现的HEVC内插值滤波快速算法，通过跳过插值队列中的4

4、×子预测单元节省编码时间，同时仅造成微小的视频质量损失。其次，基于改进的内插值滤波算法，以八像素插值单元作为基本单元，通过设计可复用的插值滤波数据路径和高效的存储组织模式，提出并实现了一种可重构的并行流水插值滤波器架构。实验结果表明，本文的插值滤波架构每个时钟循环可以处理13.4个像素，最高吞吐率可以达到2.15G像素/秒，能够支持超高清视频（7680×4320@65fps）的实时处理。（2）构建了一套基于像素纹理的无损参考帧压缩系统，有效提高了参考帧传输时的频带利用率，并降低了功耗。首先，提出基于像素纹理的方向性预测方法来降低预测残差的能量，并应用动态阶数一元/指

5、数-哥伦布编码方法来兼顾小值和大值预测残差的编码，同时研究了一种基于单元组表的存储空间压缩结构来提高DRAM行缓存的利用率。通过采用上述方法，参考帧的片外数据传输带宽平均可以降低68.5%。其次，根据提出的参考帧压缩算法，设计了基于eDRAM的无损参考帧压缩VLSI架构，利用流水线思想设计多级流水系统，并提高处理的并行度。实验结果表明，通过减少DRAM的传输带宽和存储空间，本文的算法可以降低56.8%的DRAM动态功耗，比现有的无损参考帧压缩算法高18.6%-21.7%。本文所实现的压缩器和解压器的最高吞吐率分别可以达到1.54G像素/秒和0.78G像素/秒，能够支

6、持超高清视频（3840×2160@94fps）的实时处理。（3）构建了一套基于率失真理论的有损参考帧压缩系统，能够在高帧率条件下保持稳定的高数据压缩率。首先，通过设计基于图像纹理的自适应量化方法来实现稳定的高数据压缩率，在处理高质量纹理复杂图像时数据压缩率也不会明显下降。其次，本文设计了三种具有不同并行度的方向性预测模式，三种模式可以在数据压缩率和吞吐率之I西北工业大学博士学位论文间进行权衡。最后，提出并实现了并行流水的有损参考帧压缩VLSI架构。一方面通过采用查找表结构来实现量化模块中对数函数和乘法器的功能。另一方面在实现像素级并行处理的基础上，通过采用双压缩/解

7、压器结构来并行处理一个单元组中的两个处理单元。实验结果表明，本文的有损参考帧压缩系统可以实现最高70.6%的数据压缩率，同时只造成-0.04dB的的图像质量损失。与其他两种常用的量化机制相比，本文的自适应量化机制可以减少0.49dB-3.36dB的图像质量损失。本文实现的压缩器和解压器分别可以实现2.89G像素/秒和2.26G像素/秒的吞吐率，可以支持超高清视频（7680×4320@68fps）的实时处理。关键词：参考帧压缩，HEVC，内插值滤波，低功耗，VLSI架构本研究得到国家自然科学基金（编号：60902101，61602383），教育部新世纪优秀人才计划