基于fpga的h.264编码器设计与验证

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1、代号107011101120194学号分类号TN919.8密级公开题（中、英文）目基于FPGA的H.264编码器设计与验证TheDesignandVerificationofH.264EncoderBasedonFPGA作者姓名朱传传宋彬教授指导教师姓名、职称工学通信与信息系统学科门类学科、专业提交论文日期二零一四年三月万方数据万方数据西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知

2、，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期:西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论

3、文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：日期:导师签名：日期:万方数据万方数据摘要H.264作为目前主流的视频编码标准，在视频编辑、视频会议、安防监控、消费类电子等领域有着广泛的应用。H.264的基本原理并不复杂，其底层运算均为整数运算，特别适合于使用FPG

4、A等可编程器件实现。H264使用了多种模式的预测算法，在FPGA设计中，这些预测模式可以并行处理，从而大大提高编码速度。因此，对实时编码要求较高的场合，研究如何用FPGA来实现H.264编码具有重要意义。本文首先介绍了H.264的基本原理及FPGA的特点与设计流程，在此基础上给出了适合于FPGA实现的H.264编码器硬件结构，并对该硬件结构的各个模块进行了简要介绍，本文重点讲解了其中整像素运动估计模块(IME)和帧内亮度4x4预测(Intra4x4)这两个模块的设计与实现。IME模块采用Leve

5、lC的数据复用方式，在资源消耗与数据带宽之间能够很好的折衷；SAD计算采用累加树与片内DSP相结合的方式来实现，更加充分的利用了片内的资源；优化了搜索算法的扫描顺序，使得搜索的效率更高。Intra4x4模块采用优化后的4x4子块预测顺序，大大提高了资源的利用率，减少了宏块的处理时延；预测像素的计算和预测模式的判决也采用了优化后的硬件结构，降低了资源的开销。最后，对本设计进行了仿真验证，通过验证和静态时序分析，证明了本设计在功能和时序上的正确性。然后，在Xilinx的xc7z045硬件平台上进行了

6、综合和布局布线，该编码器系统总共占用了38760(8%)个寄存器、73058(33%)个LUT。布局布线后的频率可达到125MHz，处理一个宏块需要440个时钟周期，最终编码速度可达到1080p@35fps，与x264软件编码器的全搜索算法相比，PSNR值的差距在±0.2分贝之内。关键词：FPGAH.264整像素运动动估计帧内4x4预测万方数据AbstractAsthemainstreamvideocodingstandard,H.264iswidelyusedinvideoediting,vi

7、deoconferencing,securitymonitoring,consumerelectronicsandsoon.ThebasicprincipleofH.264isverysimple.Itsunderlyingoperatoins,whichusingintegerarithmeticwiththeadvantagesofsimpleandneat,especiallysuitableforachievingonFPGAdevices.H264algorithmusesavarie

8、tyofmodesforimageestimationandcompensation.ThesemodescanbeachievedparallellyonFPGA,witchcangreatlyimprovingtheencodingspeed.Therefore,inthereal-timeencodingoccasion.ItisofgreatsignificanceinreaserchinghowtoachievedanH.264encodingonFPGA.Thispaperfirst