[硕士论文精品]MPEG2视频解码器的FPGA设计.pdf
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1、M P E G 。2 视频解码器的F P G A 设计 摘要 M P E G 2 是M P E G 组织在1 9 9 4 年为了高级工业标准的图象质量以及更高的 传输率所提出的视频编码标准,其优秀性使之成为过去十年应用最为广泛的标 准,也是未来十年影响力最为广泛的标准之一。 本文以M P E G 2 视频标准为研究内容,建立系统级设计方案,设计F P G A 原型芯片,并在F P G A 系统中验证视频解码芯片的功能。最后在0 1 8 微米工艺 下实现A S I C 的前端设计。完成的主要工作包括以下几个方面: 1 完成解码系统的体系结构的设计,采用了自顶而下的设计方法,实现系 统的功能单元的
2、划分;根据其视频解码的特点,确定解码器的控制方式; 把视频数据分文帧内数据和帧间数据,实现两种数据的并行解码。 2 实现了具体模块的设计:根据本文研究的要求,在比特流格式器模块设 计中提出了特有的解码方式;在可变长模块中的变长数据解码采用组合 逻辑外加查找表的方式实现,大大减少了变长数据解码的时间;I Q 、I D C T 模块采用流水的设计方法,减少数据计算的时间:运动补偿模块,针对 模块数据运算量大和访问帧存储器频繁的特点,采用四个插值单元同时 处理,增加像素缓冲器,充分利用并行性结构等方法来加快运动补偿速 度。 3 根据视频解码的参考软件,通过解码系统的仿真结果和软件结果的比较 来验证模
3、块的功能正确性。最后用F P G A 开发板实现了解码系统的原型 芯片验证,取得了良好的解码效果。 整个设计采用V e r i l o gH D L 语言描述,通过了现场可编程门阵列( F P G A ) 的 原型验证,并采用S I M C0 18I lm 工艺单元库完成了该电路的逻辑综合。经过 实际视频码流测试,本文设计可以达到M P E G 2 视频主类主级的实时解码的技 术要求。 关键词:M P E G 2 ,视频解码,硬件设计原型验证 F P G AD e s i g no fM P E G - 2V i d e oD e c o d e r A B S T R A C T M P E
4、 G - 2s t a n d a r dw a se s t a b l i s h e df o rh i g h e ri n d u s t r ys t a n d a r do fp i c t u r ea n dh i g h e r t r a n s p o r tr a t e sb yM o v i n gP i c t u r eE x p e r tG r o u p T h es t a n d a r di sS Oe x c e l l e n tt h a ti tb e c o m e s t h em o s ti n f l u e n t i a l
5、s t a n d a r ds i n c et e ny e a r sa g o ,a n di s s t i l lo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p r e s ss t a n d a r dn o w a d a y s T h er e s e a r c hc o n t e n to ft h e s i si St h es t a n d a r do fM P E G 2v i d e o F i r s t l y ,t h et o t a l s y s t e ma r c h i t e c t u
6、r eo fM P E G 一2v i d e od e c o d e rw a si n t r o d u c e d ;t h e nd e s i g no ft h eF P G A p r o t o t y p ea n di t sv e r i f i c a t i o nw e r ea c h i e v e d ;a tl a s t ,i nt h eS M I C0 18 p ms t a n d a r dc e l lC M O S t e c h n o l o g y , t h ed e c o d e ri si m p l e m e n t e
7、dt a r g e t i n gA S I C T h ec o n t r i b u t i o n so ft h ee s s a ya r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g : 1 T h ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fM P E G 一2v i d e od e c o d e ri s i m p l e m e n t e d W i t hT o p D o w n m e t h o d ,t h ed e c o d e rs y s t e mw a sd i v i d
8、 e di n t os o m es u b m o d u l e s ;b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f v i d e od e c o d i n g ,d e f i n et h ec o n t r o lm e t h o do fs y s t e m ;d i v i d et h ev i d e od a t a si n t oi n t r a - d a t aa n d i n t e r d a t a ,t h e nt h et w ok i n d so fd a t aw a sd e c
9、 o d e db yp a r a l l e la l g o r i t h m 2 t h ed e s i g no fs u b - m o d u l e s :a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n ,t h ep a r s e rm o d u l ew a s d e s i g n e db y au n i q u em e t h o d ;I nt h eV L Dm o d u l e ,t a k i n gt h ea d v a n t a g e so fb o t h c o m b i n a
10、t i o n a ll o g i ca n dL U T , a c c o m p l i s h e dt h ed e c o d e ro fv a r i a b l ed a t a ,r e d u c et h ed e c o d i n g t i m eo b v i o u s l y ;t Q ,I D C Tm o d u l ew a sd e s i g n e db yp i p e l i n em e t h o d ,a l s or e d u c et h et i m eo f c a l c u l a t i n gh e a v i l
11、y ;F o rt h em o t i o nc o m p e n s a t i o ni s t h em o s ti n t e n s i v ep a r to fa c c e s s i n g m e m o r ya n dh a sh i g ht h r o u g h p u t ,s e v e r a lm e t h o d sw e r ea d o p t e dt oi m p r o v em e m o r ya c c e s s e f f i c i e n c y ,i n c l u d i n g f o u r p i x e li
12、n t e r p o l a t o r ,p i x e l b u f f e r a u g m e n t a t i o n ,a n dp a r a l l e l a r c h i t e c t u r e ,w h i c hl e a dt og o o ds p e e d u po fm o t i o nc o m p e n s a t i o n 3 B a s e do nt h es o f t w a r er e f e r e n c ep r o g r a m ,f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o
13、ni sc a r r i e do u tb y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h eo u t p u tr e s u l t so fs o f t w a r e A tl a s t ,t h eF P G A p r o t o t y p ei si m p l e m e n t a t e db a s e do n t h ed e v e l o p i n gb o a r dE P 2 SI8 0f r o mA l t e r a F P G A p r o t o t
14、 y p eb a s e dv e r i f i c a t i o ns h o w e dt h a tt h ed e s i g ng e t ss a t i s f a c t o r yd e c o d i n ge f f e c t s T h ed e s i g nw a sd e s c r i b e dw i t h V e r i l o g H D L I th a sb e e ni m p l e m e n t e db yF i e l d P r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y ( F P G A ) S
15、y n t h e s i sw a sa l s o f u l f i l l e dw i t hS y n o p s y sD e s i g n c o m p i l e r , b a s e do nS M I C0 18 “ms t a n d a r dc e l lC M O St e c h n o l o g y D e m oe x p e r i m e n tw i t hr e a l v i d e os t r e a ms h o w st h a tt h ed e s i g nc a nm e e tt h er e a l t i m ed e
16、 c o d i n gr e q u i r e m e n t so ft h e M P E G - 2M P M Lv i d e os e q u e n c e K e yw o r d s :M P E G - 2 ,V i d e od e c o d i n g ,H a r d w a r eD e s i g n ,F P G Ap r o t o t y p e v e r i f i c a t i o n 插图清单 图2 - 1M P E G 2 编解码算法框图8 图2 2M P E G 2 视频流分层结构1 0 图2 - 3 三种不同宏块结构图1 1 图2 - 4
17、M P E G 2 帧类型和预测方式1 1 图2 - 5 反量化过程1 4 图2 - 6 反扫描的方式15 图2 - 7H u f f m a n 编码1 6 图2 8 运动估计与运动向量的几何关系17 图2 - 9 半象素插值18 图3 1 参考软件作用2 0 图3 2 软件解码流程2 l 图3 3 主程序软件结构图2 2 图3 - 4g e t p i e 的解码结构2 2 图3 5 宏块解码结构图2 3 图3 - 6 运动补偿& I D C T 结构图2 3 图3 7C h e n - W a n g 算法的计算程序2 9 图3 8 流水线时序图3 2 图4 - 1 解码器的总体架构图3
18、 4 图4 - 2 读入模块的功能实现图一3 4 图4 - 3 读入模块仿真波形3 5 图4 - 4 控制策略图3 6 图4 - 5 控制模块状态转移图3 7 图4 - 6M P E G 2 码流组织结构38 图4 - 7 解码控制状态转移图3 9 图4 - 8 分析器仿真部分结果图4 0 图4 9 可变长解码状态转移图4 1 图4 1 0 运动向量解码结构图4 2 图4 1 1I Q 电路结构图4 3 图4 1 2I Q 模块仿真波形图4 4 图4 1 3 二维实现结构4 6 图4 1 4 一维I D C T 结构图4 6 图4 1 5 维I D C T 电路实现图4 7 图4 1 6I D
19、 C T 模块仿真波形图4 8 图4 1 7 运动补偿电路结构图。4 8 图4 1 8 预测单元结构图5 0 图4 1 9 颜色空间转换电路结构图5 l 图5 1E P 2 S 1 8 0 开发板元件和接口图5 3 图5 2V G A 显示控制电路图5 4 图5 3 仿真图像5 5 图5 4 验证结果图( a ) 5 6 图5 。5验证结果图( b ) 5 6 图5 - 6 综合流程5 7 图5 。7 环境设计脚本5 8 图5 8 设计规则约束脚本5 9 图5 - 9 时序约束脚本5 9 图5 1 0 综合的面积报告6 0 图5 1 1 综合的面积报告6 1 V I I 表格清单 表1 - 1
20、M P E G 系列标准1 表1 - 2M P E G 2 的编码类定义。3 表卜3M B 8 6 H 0 1 解码器的主要规格表5 表2 - 1 视频序列结构9 表3 - 1 头信息解码伪码表一2 4 表3 - 2 扩展信息解码伪码表。2 5 表3 3 亮度块D C 系数的变长编码2 6 表3 - 4 亮度块D C 系数表2 7 表3 - 5 块数据解码和反量化伪码2 7 表3 - 6I D C T 实现的伪码表2 8 表4 一l 控制模块的部分接口信号3 6 表4 - 2 宏块编码方式表4 0 表4 3 转置R A M 写顺序4 8 表4 - 4 转置R A M 读顺序4 8 表5 一ls
21、 t r a t i x l I 系列功能表5 3 表5 - 2F P G A 消耗资源参数表5 6 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,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 金肥王些太堂 或其他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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 、眵芝 签字日期:叩年午月硼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留
22、并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权金熙王些太堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 、【芝 签字日期:呷年午月谰 f 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 导师签名r o 套、,7 : 。二_ j 一。;: 签字日期:研年争月仂日 电话: 邮编: 致谢 本论文在选题和研究过程中受到高明伦教授的悉心指导。高老师不仅学识 渊博、治学严谨,而且待人诚恳,平易近人。他对科学严谨认真的态度和高尚 的品德,是我学习
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