基于HEVC的視頻編碼算法及硬件體系結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著生活質(zhì)量的不斷提高，對高品質(zhì)多媒體終端的需求也在不斷增長。UHD、4KTV等高分辨率、高幀率的視頻終端不斷涌現(xiàn)，8KTV品質(zhì)的視頻終端不久也將進(jìn)入家庭。人們對媒體視聽效果的無止境需求，給視頻編碼技術(shù)發(fā)展帶來了極大挑戰(zhàn)。HEVC是一種新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足4KTV、8KTV等編碼需求，相比于H.264標(biāo)準(zhǔn)，其壓縮效率提高了50％-70%，復(fù)雜度增加了2-4倍。由于HEVC編碼算法計算量大、訪存帶寬高，所以HEVC編碼算法的設(shè)計和優(yōu)

2、化以及相應(yīng)硬件實(shí)時編碼系統(tǒng)的研發(fā)成為該技術(shù)迅速進(jìn)入市場應(yīng)用的關(guān)鍵，且已成為其面向市場應(yīng)用的研究熱點(diǎn)?？紤]HEVC編碼算法的高復(fù)雜度，利用通用處理器平臺無法完成4K以上HEVC實(shí)時編碼任務(wù)，開發(fā)專用的HEVC視頻編碼IC是目前比較有效的方法。目前市場上H.264編解碼的市場占有率80%以上，考慮到編碼產(chǎn)品市場的兼容性需求，要求新的編碼終端能夠兼容HEVC和H.264編碼算法。依據(jù)以上情況，論文針對新一代視頻編碼算法優(yōu)化及其相應(yīng)的硬件系統(tǒng)架

3、構(gòu)進(jìn)行深入研究。
　　論文對HEVC視頻編碼的關(guān)鍵算法和硬件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。針對硬件實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)和優(yōu)化了幀內(nèi)預(yù)測與幀間預(yù)測等視頻編碼算法，提出了相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)，完成了RTL級硬件建模。新的體系架構(gòu)兼容H.264標(biāo)準(zhǔn)，能夠在單幀間參考幀、搜索區(qū)域?yàn)閇-16,16]情況下完成7680×4320@35.07fps視頻實(shí)時編碼。本文的主要研究工作包括：
　　論文研究了HEVC編碼軟件中編碼塊的幀內(nèi)編碼紋理模式與編碼塊像素方向

4、梯度和的相關(guān)性，提出了基于編碼塊紋理特征的幀內(nèi)編碼模式選擇算法。為降低紋理參數(shù)提取的計算量，本文利用圖像幀中空間相鄰像素具有強(qiáng)相關(guān)性這一特點(diǎn)，隔行提取了待編碼圖像塊四個方向相鄰像素梯度和作為紋理參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)依次判斷當(dāng)前CU是否進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測計算以及下一深度劃分和預(yù)估當(dāng)前編碼塊紋理。論文提出的紋理參數(shù)提取方法易于VLSI實(shí)現(xiàn)，可用幀內(nèi)預(yù)測原有硬件電路實(shí)現(xiàn)參數(shù)提取，從而提高幀內(nèi)預(yù)測硬件電路效率。針對H.264編碼，僅需要提取水平與垂直兩個

5、方向的相關(guān)度參數(shù)，來評估當(dāng)前宏塊紋理平坦度，據(jù)此對I16MB、I4MB幀內(nèi)模式進(jìn)行選擇。通過實(shí)驗(yàn)證明該算法在有效地降低幀內(nèi)預(yù)測計算量的同時，視頻壓縮質(zhì)量與壓縮率變化較小。
　　論文研究了幀內(nèi)預(yù)測代價與待編碼塊像素相關(guān)度之間的相關(guān)性，提出了幀內(nèi)/幀間判決優(yōu)化算法。具體在P/B幀的幀間預(yù)測過程中，對需要幀內(nèi)預(yù)測的編碼塊進(jìn)行像素相關(guān)度計算，以估計其幀內(nèi)預(yù)測代價。再將該值與編碼塊的幀間匹配代價進(jìn)行比較，從而判斷該編碼塊是否需要進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測

6、計算，減少了幀內(nèi)預(yù)測的冗余計算。最后通過實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠在保證視頻編碼質(zhì)量情況下，降低幀內(nèi)/幀間判決算法復(fù)雜度。同時完成CU幀內(nèi)優(yōu)化以及幀內(nèi)/幀間判決優(yōu)化算法的RTL級映射電路，通過仿真實(shí)驗(yàn)評估上述優(yōu)化算法的硬件電路性能。
　　論文針對HEVC參考軟件運(yùn)動估計過程中的數(shù)據(jù)路徑依賴以及編碼塊多層次劃分編碼函數(shù)遞歸調(diào)用問題，提出了適于VLSI實(shí)現(xiàn)的并行運(yùn)動估計搜索算法。為進(jìn)一步提高運(yùn)動匹配速度，對當(dāng)前編碼塊的搜索中心點(diǎn)匹配殘差與搜索

7、范圍之間關(guān)系進(jìn)行研究，據(jù)此關(guān)系提出了適合并行運(yùn)動估計算法的自適應(yīng)搜索范圍調(diào)整算法。通過實(shí)驗(yàn)證明，上述并行自適應(yīng)范圍調(diào)整運(yùn)動估計算法能夠在視頻編碼質(zhì)量與壓縮率改變較小的情況下實(shí)現(xiàn)。
　　論文對上文運(yùn)動估計優(yōu)化算法進(jìn)行了RTL級建模。為實(shí)現(xiàn)參考圖像區(qū)域在搜索過程中動態(tài)調(diào)整的算法，提出了參考像素數(shù)據(jù)可隨時鐘在參考像素寄存器中四個方向流動的1-D脈動陣列結(jié)構(gòu)；還提出了3×3交叉錯行存儲策略，以達(dá)到幀間參考像素回形掃描時所需的橫、縱向圖像灰