H.264/AVC是由国际电信联合会的视频专家组和国际标准化组织的运动图像专家组组成的联合视频小组制定的下一代视频压缩标准。新标准采用了一些先进算法，因此具有优异的压缩性能和极好的网络亲和性，满足低码率情况下的高质量视频的传输。 H.264/AVC采用的先进算法包括多模式帧间预测、1/4像素精度预测、整数变换量化、去方块滤波和熵编码。本论文着重对整数变换与量化、去方块滤波做了研究。整数变换是一种只有加法和移位的运算，量化可以通过查表和乘法操作就可以完成，避免了反变换的时候失配问题，没有精度损失；去方块滤波是一种用来去除低码率情况下的每个宏块的块效应，提高了解码图像的外观。 本文主要从算法研究和硬件实现两方面着手，在算法研究方面设计了一个可视化测试软件，在硬件实现方面主要对整数变换、量化和去方块滤波做了研究和实现。视频压缩技术的关键在于视频压缩算法及其芯片的实现，FPGA可重复使用，设计修改灵活，片内资源丰富，具备DSP模块等优势。在本论文的目标实现部分模块FPGA的硬件设计，用Verilog完成了关键部分的设计。首先简要介绍了视频压缩基本原理，常用视频压缩标准及其特性以及国内外的研究动态，并对H.264标准基本档次所涉及的核心技术进行了详细介绍，两种分层结构分别讨论。其次在掌握了H.264.算法及编解码流程的基础上，设计了基于H.264编解码的可视化软件平台。然后详细介绍了整数变换、量化、反变换和反量化核心模块的设计和实现，并在Altera的软件和开发板上进行了仿真验证；对去方块滤波算法做了软件研究测试，并给出了一种改进的硬件整体结构设计。最后，对全文工作进行了总结和对未来研究工作做了展望。我在课题中所做的主要工作有： 1.查阅相关文献，熟悉H.264.标准及整数变换、量化和去方块滤波等算法。 2.用VC++完成了基于H.264编解码的可视化软件平台设计。 3.用Verilog完成了整数变换量化、反变换反量化模块FPGA设计与验证。 4.去方块滤波器的算法研究、仿真和硬件整体结构设计。
上传时间： 2013-04-24
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H.264/AVC是由ITU和ISO两大组织联合组成的JVT共同制定的一项新的视频压缩技术标准，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264/AVC的应用亮点。在同样的视觉质量前提下，H.264/AVC比H.263和MPEG-4节约了50％的码率。但H.264获得优越性能的代价是计算复杂度的增加，据估计其编码的计算复杂度大约为H.263的3倍，因此很难应用于实时视频处理领域。针对这一现状，业内做了大量的研究工作，力图降低其计算复杂度和提高运行效率。比如在运动估计方面，国内外在这方面的研究已经很成熟。而针对帧内/帧间预测编码的研究却较少。因此研究预测模式的快速算法具有理论意义和应用价值。 本文在详细研究H.264标准视频压缩编码特点基础上，分析了H.264帧内编码, 帧间编码及变换，量化技术的原理及特点，提出了一种基于局部边缘方向信息的快速帧内模式判决算法，通过结合SAD的模式选择方法来减少模式选择数目。它采用了Sobel梯度算子计算当前块的边缘信息，累加当前块中属于同一方向像素点的边缘矢量构造不同模式下的边缘方向直方图，以便确定最可能的预测模式。该算法有效降低了编码器的运算复杂度，在并未显著降低编码性能的情况下提升了编码器效率。仿真表明：Foreman 图像序列编码性能有了提高，其中PSNR平均降低了0.06dB，Bitrate平均降低了19.4％，这大大提高了视频传输的质量。 另外在帧间预测模式选择算法方面进行了改进研究：按顺序对不同类型进行判决，有选择地去比较可能模式，使得在有效减少需判决的模式数量的同时，结合小块模式搜索中途停止准则来确定最优模式。仿真表明：改进算法相对与原来算法能够节省很多的编码时间（平均下降了49.3％），但带来的图像质星的下降（平均下降0.08dB,可以忽略）和码率较少的增加。 同时在整数DCT变换模块中，提出了一种快速蝶形算法，使得对4×4点数据做一次变换，只需通过8×8次加法和2×8次移位运算便可完成，与原来12×8次加法和4×8次移位相比，新算法大大降低了运算复杂度。 最后介绍FPGA的特点及设计流程，并实现了H.264编解码器中变换编码及量化和熵解码模块的硬件。这种基于FPGA所实现的H.264编码视频处理模块设计具备了成本低，周期短，设计方法灵活等优点，具有广阔的市场应用前景。 仿真表明，通过使用本文提出的帧内/帧间速算法方法可使得H.264编码速度获得显著的提高，使H.264 Baseline编码器能在PC平台上实现实时编码。
上传时间： 2013-07-18
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在卫星遥感设备中，随着遥感技术的发展和对传输式观测卫星遥感图像质量要求的不断提高，航天遥感图像的分辨率和采样率也越来越高，由此引起高分辨率遥感图像数据存储量和传输数据量的急剧增长，然而卫星信道带宽有限。为了尽量保持高分辨率遥感图像所具有的信息，必须解决输入数据码率和传输信道带宽之间的矛盾。所以星载高分辨率遥感图像数据的高保真、实时、大压缩比压缩技术就成了解决这一矛盾的关键技术。FPGA器件为实现数据压缩提供了一种压缩算法的硬件实现的一个理想的平台。FPGA器件集成度高，体积小，通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入，仿真，测试和校验，直到达到预期的结果，减少了开发周期。小波变换能够适应现代图像压缩所需要的如多分辨率、多层质量控制等要求，在较大压缩比下，小波图像压缩质量明显好于DCT变换，因此小波变换成为新一代压缩标准JPEG2000的核心算法。同时，小波变换的提升算法结构简单，能够实现快速算法，有利于硬件实现，因此提升小波变换对于采用FPGA或ASIC来实现图像变换来说是很好的选择。本文针对卫星遥感图像的数据流，主要研究可以对卫星图像进行实时二维小波变换的方案。针对提升小波变换的VLSI结构和FPGA设计中的关键技术，从边界延拓、滤波器结构、整数小波、定点运算、原位运算等方面进行了研究和讨论，并且完成了针对卫星遥感图像的分块二维9/7提升小波变换的FPGA实现。采用VerIlog语言对设计进行了仿真验证，并将仿真结果同matlab仿真结果进行了比较，比较结果表明该方案能实现对卫星遥感图像数据流的二维提升小波变换的功能。同时QuartusII综合结果也表明，系统时钟能够工作在很高的频率，可以满足高速实时对卫星图像的小波变换处理。
上传时间： 2013-06-15
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信息化社会的到来以及IP技术的兴起，正深刻的改变着电信网络的面貌以及未来技术发展的走向。无线通信技术的发展为实现数字化社区提供了有力的保证。而视频通信则成为多媒体业务的核心。如何在环境恶劣的无线环境中，实时传输高质量的视频面临着巨大的挑战，因此这也成为人们的研究热点。 对于无线移动信道来说，网络的可用带宽是有限的。由于多径、衰落、时延扩展、噪声影响和信道干扰等原因，无线移动通信不仅具有带宽波动的特点，而且信道误码率高，经常会出现连续的、突发性的传输错误。无线信道可用带宽与传输速率的时变特性，使得传输的可靠性大为降低。 视频播放具有严格的实时性要求，这就要求网络为视频的传输提供足够的带宽.有保障的延时和误码率。为了获得可接受的重建视频质量，视频传输至少需要28Kbps左右的带宽。而且视频传输对时延非常敏感。然而无线移动网络却无法提供可靠的服务质量。 基于无线视频通信面临的挑战，本文在对新一代视频编码国际标准H.264/AVC研究的基础上，主要在提高其编码效率和H.264的无线传输抗误码性能，以及如何在嵌入式环境下实现H.264解码器进行了研究。 结合低码率和帧内刷新，提出一种针对感兴趣区的可变帧内刷新方法。实验表明该方法可以使用较少的码率对感兴趣区域进行更好的错误控制，以提高区域图像质量，同时能根据感兴趣区及信道的状况自动调整宏块刷新数量，充分利用有限的码率。 为了有效的平衡编码效率和抗误码能力的之间的矛盾，笔者提出了一种自适应FMO(Flexible Macroblock Order)编码方法，可根据图像的复杂度自适应地选择编码所需的FMO模式。仿真结果表明这种FMO编码方式完全可行，且在运动复杂度频繁变化时效果更加明显，完全可应用在环境恶劣的无线信道中。 在对嵌入式PXA270硬件结构和X264研究的基础上，基本实现了基于H.264的嵌入式解码，在PXA270基础上进行环境的配置，定制WirtCE操作系统，并编译、产生开发所用的SDK和下载内核到目标机。利用开发工具EVC实现在PC机上的实时开发和在线仿真调试，最终实现了对无差错H.264码流实时解码。
上传时间： 2013-06-18
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数字通信系统中，在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及噪声的影响，接收端所收到的数字信号不可避免地会发生错误。为了减小误码率，提高接收质量，必须采用差错控制编码。对于数字视频通信系统这类高码率，高要求的系统，为了提供优良的图象质量，采用差错控制编码尤为重要。 本文采用的DVB-T系统差错控制技术是针对于数字视频通信而设计的，提出了纠错编码结合交织技术的实现方案，即RS(204，188，8)截短码、卷积交织、卷积码三种技术的级联。各技术中的参数设计为输入的MPEG-2传输流(TS流)提供了便利，在编码后可以保持传输流的帧结构和同步字节不改变，使接收端的同步捕获和同步跟踪成为可能。 本文首先简要介绍了差错控制技术，DVB-T系统，以及硬件实现所用到的FPGA实现方法。然后分别研究RS码、卷积交织、卷积码的编解码原理，并提出了三类技术的硬件实现方案。其中，重点论述了RS码解码的硬件实现。将RS码解码分为四个模块：伴随式计算，BM迭代，钱搜索和错误值计算，分别讲述每个模块的电路设计方案并给出仿真结果。最后，将该差错控制系统应用于一个输出速率恒定的实际数字视频通信系统中，按系统需要，加入了接口电路和速率控制的设计。
上传时间： 2013-04-24
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ISO和ITU-T制定的一系列视频编码国际标准的推出，开创了视频通信和存储应用的新纪元。从H.261视频编码建议，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一个共同的不断追求的目标，即在尽可能低的码率(或存储容量)下获得尽可能好的图像质量。 本课题的研究建立在目前主流的压缩算法的基础上，综合出各种标准中实现途径的共性和优势，将算法的主体移植于FPGA(FieldProgrammableGateArray)平台上。凭借该种类嵌入式系统配置灵活、资源丰富的特点，建立一个可重构的内核处理模块。进一步的完善算法(运算速度、精度)和外围系统后，就可作为专用视频压缩编码器进行门级电路设计的原型，构建一个片上可编程的独立系统。 编码器设计有良好的应用前景，通过使用离散余弦变换和熵编码，对运动图像从空间上进行压缩编码，使得编码后的数据流适合于传输、通信、存储和编辑等方面的要求。同时，系统的设计将解码的工作量大幅度降低，功能模块在作适当的改动后可为解码器的参考设计使用。 研究所涉及的各功能模块都进行了系统性的仿真和综合，满足工程样机的前期研发需要。
上传时间： 2013-04-24
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卷积码是无线通信系统中广泛使用的一种信道编码方式。Viterbi译码算法是一种卷积码的最大似然译码算法，它具有译码效率高、速度快等特点，被认为是卷积码的最佳译码算法。本文的主要内容是在FPGA上实现约束长度为9，码率为1/2，采用软判决方式的Viterbi译码器。 本文首先介绍了卷积码的基本概念，阐述了Viterbi算法的原理，重点讨论了决定Viterbi算法复杂度和译码性能的关键因素，在此基础上设计了采用“串-并”结合运算方式的Viterbi译码器，并在Altera EP1C20 FPGA芯片上测试通过。本文的主要工作如下： 1.对输入数据采用了二比特四电平量化的软判决方式，对欧氏距离的计算方法进行了简化，以便于用硬件电路方式实现。 2.对ACS运算单元采用了“串-并”结合的运算方式，和全并行的设计相比，在满足译码速度的同时，节约了芯片资源。本文中提出了一种路径度量值存储器的组织方式，简化了控制模块的逻辑电路，优化了系统的时序。 3.在幸存路径的选择输出上采用了回溯译码方法，与传统的寄存器交换法相比，减少了寄存器的使用，大大降低了功耗和设计的复杂度。 4.本文中设计了一个仿真平台，采用Modelsim仿真器对设计进行了功能仿真，结果完全正确。同时提出了一种在被测设计内部插入监视器的调试方法，巧妙地利用了Matlab算法仿真程序的输出结果，提高了追踪错误的效率。 5.该设计在Altera EP1C20 FPGA芯片上通过测试，最大运行时钟频率110MHz，最大译码输出速率10.3Mbps。 本文对译码器的综合结果和Altera设计的Viterbi译码器IP核进行了性能比较，比较结果证明本文中设计的Viterbi译码器具有很高的工程实用价值。
上传时间： 2013-07-23
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目前的国内的CCD高清摄相头能够输出一组视频信号和数字图像信号，虽然视频信号能够直接在监视器显示，但是输出的数字图像信号占用存储空间太大，不便于进行传输。本文设计了一种基于FPGA的数字图像压缩卡。 在过去的十几年中，国际标准化组织制订了一系列的国际视频编码标准并广泛应用到各种领域。It.264/AVC是ITU-T和ISO联合推出的新标准，采用了近几年视频编码方面的先进技术，以较高编码效率和网络友好性成为新一代国际视频编码标准。 新发展的H．264/AVC比原有的视频编码标准大幅度提高了编码效率，但其运算复杂度也大大增加，本文简要分析了H．264/AVC的复杂度及其优化的途径，给出了主要模块的优化算法实验结果。 H．264/AVC仍基于以前视频编码标准的运动补偿混合编码方案，主要不同有：增强的运动预测能力，准确匹配的较小块变换，自适应环内滤波器，增强的熵编码。测试结果表明这些新特征使H．264/AVC编码器提高50％编码效率的同时，增加了一个数量级的复杂度。实际中恰当地使用H．264/AVC编码工具可以较低的实现复杂度得到与复杂配置相当的编码效率。故实际编码系统开发需要在运算复杂性和编码效率之间进行折衷、兼顾考虑。H．264/AVC引入的新编码特征既增加基本模块的复杂度，也成倍增加算法的复杂度。针对它们的作用和实现方法的不同，可采用不同的硬件实现方法。本文基于上述思路进行优化，具体的工作包括：针对去块滤波的复杂性，本文提出一种适合硬件实现的算法，使其在节省了资源的同时，很好的达到了标准所定义的性能。针对变换量化的复杂性，本文提出一种既满足整体的硬件流水结构，又极大的降低了硬件资源的实现方法。针对码率控制的实现，本文提出了一种有别于传统实现方式的算法，在保证实时性的同时，极大的提高了编码器的性能。本文基于上述算法还进行Baseline Profile编码器的研究，给出了一种实时编码器结构，实现了对高清图像格式(720P)的实时编码，并将其和当前业界先进水平进行了对比，表明本文所实现得结构能够达到当前业界的先进水平。
上传时间： 2013-07-23
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在数字电视系统中，MPEG-2编码复用器是系统传输的核心环节，所有的节目、数据以及各种增值服务都是通过复用打包成传输流传输出去。目前，只有少数公司掌握复用器的核心算法技术，能够采用MPEG-2可变码率统计复用方法提高带宽利用率，保证高质量图像传输。由于目前正处广播电视全面向数字化过渡期间，市场潜力巨大，因此对复用器的研究开发非常重要。本文针对复用器及其接口技术进行研究并设计出成形产品。 文中首先对MPEG-2标准及NIOS Ⅱ软核进行分析。重点研究了复用器中的部分关键技术：PSI信息提取及重构算法、PID映射方法、PCR校正及CRC校验算法，给出了实现方法，并通过了硬件验证。然后对复用器中主要用到的AsI接口和DS3接口进行了分析与研究，给出了设计方法，并通过了硬件验证。 本文的主要工作如下： ●首先对复用器整体功能进行详细分析，并划分软硬件各自需要完成的功能。给出复用器的整体方案以及ASI接口和DS3接口设计方案。 ●在FPGA上采用c语言实现了PSI信息提取与重构算法。 ●给出了实现快速的PID映射方法，并根据FPGA特点给出一种新的PID映射方法，减少了逻辑资源的使用，提高了稳定性。 ●采用Verilog设计了SI信息提取与重构的硬件平台，并用c语言实现了SDT表的提取与重构算法，在FPGA中成功实现了动态分配内存空间。 ●在FPGA上实现了．ASI接口，主要分析了位同步的实现过程，实现了一种新的快速实现字节同步的设计。 ●在FPGA上实现了DS3接口，提出并实现了一种兼容式DS3接口设计。并对帧同步设计进行改进。 ●完成部分PCB版图设计，并进行调试监测。 本复用器设计最大特点是将软件设计和硬件设计进行合理划分，硬件平台及接口采用Verilog语言实现，PSI信息算法主要采用c语言实现。这种软硬件的划分使系统设计更加灵活，且软件设计与硬件设计可同时进行，极大的提高了工作效率。 整个项目设计采用verilog和c两种语言完成，采用Altera公司的FPGA芯片EP1C20，在Quartus和NIOS IDE两种设计平台下设计实现。根据此方案已经开发出两台带有ASI和DS3接口的数字电视TS流复用器，经测试达到了预期的性能和技术指标。
上传时间： 2013-06-10
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在数字通信中，采用差错控制技术(纠错码)是提高信号传输可靠性的有效手段，并发挥着越来越重要的作用。纠错码主要有分组码和卷积码两种。在码率和编码器复杂程度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。 卷积码的译码方法主要有代数译码和概率译码。代数译码是基于码的代数结构；而概率译码不仅基于码的代数结构，还利用了信道的统计特性，能充分发挥卷积码的特点，使译码错误概率达到很小。 卷积码译码器的设计是由高性能的复杂译码器开始的，对于概率译码最初的序列译码，随着译码约束长度的增加，其译码错误概率可达到非常小。后来慢慢地向低性能的简单译码器演化，对不太长的约束长度，维特比(Viterbi)算法是非常实用的。维特比算法是一种最大似然的译码方法。当编码约束度不太大(小于等于10)或者误码率要求不太高(约10-5)时，Viterbi译码算法效率很高，速度很快，译码器也较简单。 目前，卷积码在数传系统，尤其是在卫星通信、移动通信等领域已被广泛应用。 本论文对卷积码编码和Viterbi译码的设计原理及其FPGA实现方案进行了研究。同时，将交织和解交织技术应用于编码和解码的过程中。 首先，简要介绍了卷积码的基础知识和维特比译码算法的基本原理，并对硬判决译码和软判决译码方法进行了比较。其次，讨论了交织和解交织技术及其在纠错码中的应用。然后，介绍了FPGA硬件资源和软件开发环境Quartus Ⅱ，包括数字系统的设计方法和设计规则。再有，对基于FPGA的维特比译码器各个模块和相应算法实现、优化进行了研究。最后，在Quartus Ⅱ平台上对硬判决译码和软判决译码以及有无交织等不同情况进行了仿真，并根据仿真结果分析了维特比译码器的性能。 分析结果表明，系统的误码率达到了设计要求，从而验证了译码器设计的可靠性，所设计基于FPGA的并行Viterbi译码器适用于高速数据传输的场合。
上传时间： 2013-04-24
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