HEVC快速帧内预测编码器的设计与实现

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1、工程硕士学位论文HEVC快速帧内预测编码器的设计与实现作者姓名吴永科工程领域集成电路工程校内指导教师贺小勇副教授校外指导教师胡剑琛高级工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月DesignandImplementationofFastIntraPredictionEncoderBasedonHEVCADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WuYongkeSupervisor：Prof.HeXiaoyongS.E.HuJianchenSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou

2、,China摘要HEVC（HighEfficiencyVideoCoding)是2013年由ITU‐T和ISO/IEC联合制定的新一代视频编码标准，与上一代编码标准H.264/AVC相比，同等压缩质量下能减少50%的码率。帧内编码是视频编码标准的核心模块之一，作用是消除视频帧内的空间冗余。HEVC帧内编码算法采用更加灵活的划分结构和高达35种帧内预测模式以进一步降低帧内编码的码率，但计算复杂度大幅提升，难以实现实时编码，限制了HEVC标准的应用场合。因此，对HEVC帧内快速编码算法的研究有重要的意义。论文对帧内编码方式和图像特征之间的相关性进行深入分析，提出了HEVC帧内编码的快速算法，

3、并针对算法进行了帧内编码器的设计与实现。具体工作如下：（1）提出了一种帧内编码树单元（CTU）四叉树的快速划分算法，该算法通过CU提前划分和CU划分提前终止两种策略，减少需要进行率失真代价（RateDistortionCost）计算的次数。（2）提出了一种帧内预测单元（PU）预测模式的快速选择方法，利用最优预测模式和图像纹理特征之间的相关性进行PU预测模式的粗选，避免了遍历计算35种帧内预测模式下的哈德玛代价。（3）进行HEVC帧内编码器的硬件实现研究，设计了一个两级流水线的硬件电路，第一级为预测加速单元，针对上述提出的两种快速算法，采用并行的方式提取图像特征，进行CTU四叉树划分的提前

4、决策和PU预测模式的粗选。第二级为帧内编码单元，在第一级的计算结果上，通过率失真优化方法进一步决策，得到CTU四叉树的最优划分方式和PU最优预测模式，并完成对当前CTU的编码。经过综合验证，设计的帧内编码器在600MHz时钟频率下可以满足对1080p@30fps视频的实时编码要求。关键词：HEVC；帧内预测；硬件设计IAbstractTheHEVC(HighefficiencyVideoCoding)isanewvideocodingstandardwhichisdevelopedbyITU‐TandISO/IECin2013.ComparedwithH.264codingstandar

5、d,itcanreducethecoderateof50%underthesamevideoquality.Intracodingisoneofthecoremodulesofcodingstandardanditaimstoeliminatethespatialredundancyinframe.ComparedwithH.264/AVC,theHEVCintracodingalgorithmusesamoreflexiblepartitionstructureandupto35intrapredictionmodestofurtherreducethecoderateofintrac

6、oding.However,ithashighercomputationalcomplexityanditishardtoworkatreal‐time,whichlimitstheapplicationofHEVCstandard.Therefore,theresearchofHEVCmakegreatscenes.Inthisthesis,thecorrelationbetweenimagefeaturesandintracodingisanalyzed.AfastintracodingalgorithmforHEVCisproposed,andthedesignandimpleme

7、ntationofintraencoderarecarriedoutforthealgorithm.Themainworksofthispaperincludes:(1)Afastdivisionalgorithmforintracodingtreeunit(CTU)quadtreeisproposed.ThisalgorithmreducesthenumberofRateDistortionCostcomputationbyadv