多标准视频解码芯片高效运动补偿模块设计

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1、申请上海交通大学硕士学位论文多标准视频解码芯片高效运动补偿模块设计学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院班级：B1103492学号：1110349054硕士生：郭铮言专业：信息与通信工程导师：方向忠上海交通大学电子信息与电气工程学院2012年12月第1页万方数据第2页万方数据ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMasterDegreeofScienceinEngineeringAnEfficientMulti-standardMotionCompensationArchitectureDesignforVide

2、oCodingAuthor：GuoZhengyanSpecialty：InformationandCommunicationEngineeringAdvisor：FangXiangzhongSchoolofElectronics,InformationandElectricalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaDecember,2012第3页万方数据万方数据万方数据第4页万方数据上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内

3、容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日第5页万方数据第6页万方数据上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在

4、以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日第7页万方数据第8页万方数据多标准视频解码芯片高效运动补偿模块设计摘要新一代视频编解码标准HEVC(HighEfficiencyVideoCoding)整合了许多先进的视频编解码技术，与前一代视频编解码标准H.264/AVC相比减少了50%的码率。这样的高压缩率使得HEVC成为最适合支持超高清分辨率视频的编解码标准。在HEVC中，运动补偿是计算量最大的模块之一。与H264/AVC中的6抽头滤波器不同，HEVC中使用了8抽头滤波器和4抽头滤波器来进行高精度像素的插值计算。新的滤波器在提高视频压缩性能的同时也大大增加

5、了计算复杂度。因此，需要设计一个高效低开销的硬件结构来实现新的运动补偿模块。本文围绕HEVC运动补偿模块的设计与实现展开，提出了支持多标准的视频编解码芯片高效运动补偿亮度模块设计。首先，本文通过研究HEVC视频编解码标准中的运动补偿模块滤波器的新特性，提出了一种可重构的8抽头滤波器设计，减少了滤波器硬件开销。其次，在此基础上提出了运动补偿模块的最优化流水线结构，缩短了关键路径从而提高系统的工作频率和数据吞吐量。然后，本文分析了并行插值结构中垂直方向滤波器的使用负载问题，讨论了时分复用的可能性，提出了滤波器复用方案来进一步减少并行结构的硬件开销。通过利用以上设计方案，本文所设计的HEVC运

6、动补偿插值模块有效地减少了34%的硬件开销。在342MHz工作频率下能够支持QFHD(3840x2160)@60fps视频解码，硬件实现总门数为46.9k。第I页万方数据其次，本文在所设计的HEVC运动补偿模块基础上，提出了多标准运动补偿亮度插值模块的设计来支持HEVC,H.264/AVC和MPEG4三种视频编解码协议。首先，本文提出了多标准滤波器设计，通过共享滤波器中的共同项将HEVC的3种8抽头滤波器,H264/AVC的6抽头滤波器和MPEG4的8抽头滤波器整合在一起,减少了硬件开销。其次，本文提出了可复用寄存器阵列设计，有效地解决了不同标准运动补偿插值的数据传输和存储问题。最后，本

7、文提出了基于Cache的运动补偿模块带宽优化方案，并提出插值顺序重排算法来优化Cache面积。本文用Modelsim6.2结合HM10.0和JM15.1等软件来进行仿真验证，利用TSMC65nm工艺来进行硬件综合。实验结果表明，与各个标准模块单独实现相比，本文所设计的多标准运动补偿亮度插值模块有效地减少了23%的硬件开销，并减少了80%左右的带宽消耗，硬件实现总门数为51.0k。关键词：HEVC,H264/AVC,MPEG4，多标准