[碩士論文精品]MPEG2視頻解碼器的FPGA設(shè)計(jì).pdf

m p e g 。2 視頻解碼器的f p g a 設(shè)計(jì) 摘要 m p e g 2 是m p e g 組織在1 9 9 4 年為了高級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖象質(zhì)量以及更高的 傳輸率所提出的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)秀性使之成為過去十年應(yīng)用最為廣泛的標(biāo) 準(zhǔn)，也是未來十年影響力最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。 本文以m p e g 2 視頻標(biāo)準(zhǔn)為研究內(nèi)容，建立系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)f p g a 原型芯片，并在f p g a 系統(tǒng)中驗(yàn)證視頻解碼芯片的功能。最后在0 1 8 微米工藝 下實(shí)現(xiàn)a s i c 的前端設(shè)計(jì)。完成的主要工作包括以下幾個(gè)方面： 1 完成解碼系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用了自頂而下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)的功能單元的劃分；根據(jù)其視頻解碼的特點(diǎn)，確定解碼器的控制方式； 把視頻數(shù)據(jù)分文幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的并行解碼。 2 實(shí)現(xiàn)了具體模塊的設(shè)計(jì)：根據(jù)本文研究的要求，在比特流格式器模塊設(shè) 計(jì)中提出了特有的解碼方式；在可變長模塊中的變長數(shù)據(jù)解碼采用組合 邏輯外加查找表的方式實(shí)現(xiàn)，大大減少了變長數(shù)據(jù)解碼的時(shí)間；i q 、i d c t 模塊采用流水的設(shè)計(jì)方法，減少數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間：運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊，針對(duì) 模塊數(shù)據(jù)運(yùn)算量大和訪問幀存儲(chǔ)器頻繁的特點(diǎn)，采用四個(gè)插值單元同時(shí) 處理，增加像素緩沖器，充分利用并行性結(jié)構(gòu)等方法來加快運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償速 度。 3 根據(jù)視頻解碼的參考軟件，通過解碼系統(tǒng)的仿真結(jié)果和軟件結(jié)果的比較 來驗(yàn)證模塊的功能正確性。最后用f p g a 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了解碼系統(tǒng)的原型 芯片驗(yàn)證，取得了良好的解碼效果。 整個(gè)設(shè)計(jì)采用v e r i l o gh d l 語言描述，通過了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列( f p g a ) 的 原型驗(yàn)證，并采用s i m c0 18i lm 工藝單元庫完成了該電路的邏輯綜合。經(jīng)過 實(shí)際視頻碼流測(cè)試，本文設(shè)計(jì)可以達(dá)到m p e g 2 視頻主類主級(jí)的實(shí)時(shí)解碼的技 術(shù)要求。 關(guān)鍵詞：m p e g 2 ，視頻解碼，硬件設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證 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 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 ls 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 插圖清單 圖2 - 1m p e g 2 編解碼算法框圖8 圖2 2m p e g 2 視頻流分層結(jié)構(gòu)1 0 圖2 - 3 三種不同宏塊結(jié)構(gòu)圖1 1 圖2 - 4m p e g 2 幀類型和預(yù)測(cè)方式1 1 圖2 - 5 反量化過程1 4 圖2 - 6 反掃描的方式15 圖2 - 7h u f f m a n 編碼1 6 圖2 8 運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)向量的幾何關(guān)系17 圖2 - 9 半象素插值18 圖3 1 參考軟件作用2 0 圖3 2 軟件解碼流程2 l 圖3 3 主程序軟件結(jié)構(gòu)圖2 2 圖3 - 4g e t p i e 的解碼結(jié)構(gòu)2 2 圖3 5 宏塊解碼結(jié)構(gòu)圖2 3 圖3 - 6 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償& i d c t 結(jié)構(gòu)圖2 3 圖3 7c h e n - w a n g 算法的計(jì)算程序2 9 圖3 8 流水線時(shí)序圖3 2 圖4 - 1 解碼器的總體架構(gòu)圖3 4 圖4 - 2 讀入模塊的功能實(shí)現(xiàn)圖一3 4 圖4 - 3 讀入模塊仿真波形3 5 圖4 - 4 控制策略圖3 6 圖4 - 5 控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖3 7 圖4 - 6m p e g 2 碼流組織結(jié)構(gòu)38 圖4 - 7 解碼控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖3 9 圖4 - 8 分析器仿真部分結(jié)果圖4 0 圖4 9 可變長解碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4 1 圖4 1 0 運(yùn)動(dòng)向量解碼結(jié)構(gòu)圖4 2 圖4 1 1i q 電路結(jié)構(gòu)圖4 3 圖4 1 2i q 模塊仿真波形圖4 4 圖4 1 3 二維實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)4 6 圖4 1 4 一維i d c t 結(jié)構(gòu)圖4 6 圖4 1 5 維i d c t 電路實(shí)現(xiàn)圖4 7 圖4 1 6i d c t 模塊仿真波形圖4 8 圖4 1 7 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)圖。4 8 圖4 1 8 預(yù)測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖5 0 圖4 1 9 顏色空間轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖5 l 圖5 1e p 2 s 1 8 0 開發(fā)板元件和接口圖5 3 圖5 2v g a 顯示控制電路圖5 4 圖5 3 仿真圖像5 5 圖5 4 驗(yàn)證結(jié)果圖( a ) 5 6 圖5 。5驗(yàn)證結(jié)果圖( b ) 5 6 圖5 - 6 綜合流程5 7 圖5 。7 環(huán)境設(shè)計(jì)腳本5 8 圖5 8 設(shè)計(jì)規(guī)則約束腳本5 9 圖5 - 9 時(shí)序約束腳本5 9 圖5 1 0 綜合的面積報(bào)告6 0 圖5 1 1 綜合的面積報(bào)告6 1 v i i 表格清單 表1 - 1m p e g 系列標(biāo)準(zhǔn)1 表1 - 2m p e g 2 的編碼類定義。3 表卜3m b 8 6 h 0 1 解碼器的主要規(guī)格表5 表2 - 1 視頻序列結(jié)構(gòu)9 表3 - 1 頭信息解碼偽碼表一2 4 表3 - 2 擴(kuò)展信息解碼偽碼表。2 5 表3 3 亮度塊d c 系數(shù)的變長編碼2 6 表3 - 4 亮度塊d c 系數(shù)表2 7 表3 - 5 塊數(shù)據(jù)解碼和反量化偽碼2 7 表3 - 6i d c t 實(shí)現(xiàn)的偽碼表2 8 表4 一l 控制模塊的部分接口信號(hào)3 6 表4 - 2 宏塊編碼方式表4 0 表4 3 轉(zhuǎn)置r a m 寫順序4 8 表4 - 4 轉(zhuǎn)置r a m 讀順序4 8 表5 一ls t r a t i x l i 系列功能表5 3 表5 - 2f p g a 消耗資源參數(shù)表5 6 v i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所 知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得 金肥王些太堂 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同 工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 、眵芝 簽字日期：叩年午月硼 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解僉膽王些盔堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)金熙王些太堂可 以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手 段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名： 、【芝 簽字日期：呷年午月讕 f 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 導(dǎo)師簽名r o 套、，7 ： 。二_ j 一。；： 簽字日期：研年?duì)幵仑烊?電話： 郵編： 致謝 本論文在選題和研究過程中受到高明倫教授的悉心指導(dǎo)。高老師不僅學(xué)識(shí) 淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，而且待人誠懇，平易近人。他對(duì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度和高尚 的品德，是我學(xué)習(xí)的榜樣。這兩年多來從高老師那里學(xué)到的知識(shí)必將使我終身 受益。衷心感謝導(dǎo)師的培養(yǎng)、支持和教誨! 兩年多來，老師們不僅在學(xué)業(yè)上給 予我精心的指導(dǎo)，而且在思想、生活方面給予我無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向他 們致以誠摯的謝意和崇高的敬意! 感謝張多利老師在論文選題、結(jié)構(gòu)確定、審核修改方面給我的幫助和細(xì)心 指導(dǎo)，這些促使我論文一步步走向完善。 感謝張多利老師、杜高明老師、耿羅鋒博士和侯寧博士在項(xiàng)目中的熱情指 導(dǎo)和幫助! 感謝宋宇鯤老師在小論文寫作中的耐心指導(dǎo)與幫助l 感謝n o c 項(xiàng)目組馬亮、付強(qiáng)、翟元杰、杜?；邸⑼醢茁?、尹凱、程賢文、 吳臘狗、于亞軒所給予的幫助! 感謝鄧紅輝老師、林微老師、賈靖華老師在學(xué)習(xí)和生活上給予的支持和幫 助! 感謝微電子設(shè)計(jì)研究所全體成員，正是由于你們的幫助和支持，我才能克 服一切困難和疑惑，直至本文的順利完成。 特別感謝我最親愛的家人，他們對(duì)我的深厚愛意和默默支持是我學(xué)習(xí)和工 作的動(dòng)力。你們對(duì)我的養(yǎng)育之恩，我終生無以回報(bào)! m 張?jiān)?2 0 0 9 年4 月 第一章緒論 1 1m p e g 標(biāo)準(zhǔn)概述 隨著信息時(shí)代的到來，特別是在信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展起來的時(shí)候，圖像處理的 技術(shù)逐漸數(shù)字化，由于許多新的理論和方法的引入，出現(xiàn)了一系列的圖像壓縮 算法【1 1 ，因此在二十世紀(jì)九十年代左右，這些經(jīng)典的視頻壓縮算法逐漸形成一 系列的國際標(biāo)準(zhǔn)體系【2 1 ，比如h 2 6 x 系列以及m p e g 系列等。 其中，m p e g 作為重要的一種編碼方式【2 】，得到了最為廣泛的應(yīng)用。m p e g 就是動(dòng)態(tài)圖像專家組( m o t i o np i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 的英文縮寫，始建于1 9 8 8 年，是專門制定多媒體領(lǐng)域內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)組織。由全世界大約3 0 0 名多媒 體技術(shù)專家組成。制定的標(biāo)準(zhǔn)包括m p e g 視頻、m p e g 音頻和m p e g 系統(tǒng)( 視音頻 同步) 三個(gè)部分。他們成功地將聲音和影像的記錄脫離了傳統(tǒng)的模擬方式，建 立了墮0 i e c l1 7 2 壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，并制定出m p e g x 格式，令視聽傳播方面進(jìn)入 了數(shù)碼化時(shí)代。因此，大家現(xiàn)時(shí)泛指的m p e g - x 版本，就是由i s o ( i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 所制定而發(fā)布的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。 m p e g 標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼技術(shù)主要利用具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g壓縮編碼技 術(shù)以減小時(shí)間冗余度，利用d c t 技術(shù)以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則 在信息表示方面以減小統(tǒng)計(jì)冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運(yùn)用，大大增強(qiáng)了壓縮 性能?？傮w來說，m p e g 在三方面優(yōu)于其他壓縮解壓縮方案，首先，由于在一 開始它就是做為一個(gè)國際化的標(biāo)準(zhǔn)來研究制定，所以具有很好的兼容性。其次， m p e g 能夠比其他算法提供更好的壓縮比，最高可達(dá)2 0 0 ：l 。更重要的是，m p e g 在提供高壓縮比的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的損失很小。所以在多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)中， 較多采用m p e g 系列標(biāo)準(zhǔn)，包括m p e g - 1 、2 、4 等口m 。如表卜1 所示： 表卜1m _ p e g 系列標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)簡稱標(biāo)準(zhǔn)全稱批準(zhǔn)時(shí)間 最高約1 5 m p b s 數(shù)字存儲(chǔ)媒體的運(yùn)動(dòng)圖 1 9 8 8 年開始制定，1 9 9 2 年1 1 口e g 1 像及伴音編碼( c o d i n go fm o v i n gp i c t u r e 月通過，作為i s o i e c l l l 7 2 a n da s s o c i a t e da u d i of o rd i g i t a lm e d i aa t號(hào)文件 u pt o1 5 m b p s ) 標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)動(dòng)圖像及伴音編碼( c o d i n go f m o v i n g1 9 9 0 年開始制定，1 9 9 4 年1 1 p e g 2p i c t u r ea n da s s o c i a t e da u d i o ) 標(biāo)準(zhǔn) 月通過，作為i s o i e c l 3 8 1 8 視頻碼率( 3 m b p s 4 - - 10 0 m b p s ) 號(hào)文件或i t u t h 2 6 2 建議 視音頻對(duì)象的編碼( c o d i n go f1 9 9 3 年7 月制定，1 9 9 5 年5 n 位e g - 4 月通過，作為i s o 】 e c l 4 4 9 6 a u d i o - v i s u a lo b j e c t s ) 標(biāo)準(zhǔn) 號(hào)文件 視頻碼率( 5 k b p s 5 m b p s ) 多媒體內(nèi)容描述接口( m u l t i m e d i a1 9 9 7 年7 月制定，2 0 0 1 年1 2 m 【p e g 7c o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) 標(biāo)準(zhǔn) 月通過，作為i s o i e c l 5 9 3 8 號(hào)文件 咿e g 2 1 多媒體框架( m u l t i m e d i af r a m e w o r k )1 9 9 1 年1 0 月形成多媒體框架 標(biāo)準(zhǔn)原理，2 0 0 2 年5 月制定 1 1 1m p e g - 1 標(biāo)準(zhǔn) m p e g 1 ( i s o i e c1 11 7 2 ) 是m p e g 組織于1 9 9 2 年提出的第一個(gè)具有廣泛影 響的多媒體國際標(biāo)準(zhǔn)。其正式名稱為“基于數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像和聲音的 壓縮標(biāo)準(zhǔn)”，可見，m p e g 1 著眼于解決多媒體的存儲(chǔ)問題。m p e g 1 用于傳輸 1 5 m b p s 數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的編碼，經(jīng)過m p e g - 1 標(biāo)準(zhǔn)壓縮后，視頻數(shù)據(jù)壓縮率為i 1 0 0 - 1 2 0 0 ，音頻壓縮率為1 6 5 。它可提 供每秒3 0 幀3 5 2 * 2 4 0 分辨率的圖像，當(dāng)使用合適的壓縮技術(shù)時(shí)，具有接近家用 視頻制式( v h s ) 錄像帶的質(zhì)量。m p e g 1 允許超過7 0 分鐘的高質(zhì)量的視頻和 音頻存儲(chǔ)在一張c d r o m 盤上。v c d 采用的就是m p e g 1 的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是 一個(gè)面向家庭電視質(zhì)量級(jí)的視頻、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由于m p e g - i 的成功制定，以 v c d 和m p 3 為代表的m p e g - 1 產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)迅速普及。繼成功制定m p e g - 1 之后，m p e g 組織于1 9 9 6 年推出解決多媒體傳輸問題的m p e g - 2 標(biāo)準(zhǔn)。 1 1 2m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn) 該標(biāo)準(zhǔn)于1 9 9 6 年推出，擬解決多媒體傳輸問題。其正式名稱為“通用的圖 像和聲音壓縮標(biāo)準(zhǔn)“ 。包括編號(hào)為1 3 8 1 8 - 1 系統(tǒng)部分、編號(hào)為1 3 8 1 8 - 2 的視頻部 分、編號(hào)為1 3 8 1 8 - 3 的音頻部分及編號(hào)為1 3 8 1 8 - 4 的符合性測(cè)試部分。設(shè)計(jì)初 衷就是實(shí)現(xiàn)高級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖象質(zhì)量以及更高的傳輸率。由于m p e g 2 在設(shè)計(jì) 時(shí)的巧妙處理，使得大多數(shù)m p e g 2 解碼器也能解碼播放m p e g 1 格式的數(shù)據(jù)。 同時(shí)，由于m p e g 2 的出色性能表現(xiàn)，已能適用于h d t v ，使得原打算為 h d t v 設(shè)計(jì)的m p e g 3 ，還沒出世就被拋棄了。( m p e g 3 要求傳輸速率在 2 0 m b i t s s e v - 4 0 m b i t s s e e 間，但這將使畫面有輕度扭曲) 。除了做為d v d 的指定 標(biāo)準(zhǔn)外，m p e g 一2 還可用于為廣播，有線電視網(wǎng)，電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播( d i r e c t b r o a d c a s ts a t e l l i t e ) 提供的廣播級(jí)數(shù)字視頻。m p e g - 2 的另一特點(diǎn)是，其可提供一 個(gè)較廣的范圍改變壓縮比，以適應(yīng)不同畫面質(zhì)量，存儲(chǔ)容量，以及帶寬的要求。 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的成功之處是開發(fā)了通用的壓縮編碼系統(tǒng)，是一種以類 ( p r o f i l e ) 和級(jí)( 1 e v e l ) 為基礎(chǔ)的規(guī)范化體系，這樣可滿足不同的圖像分辨率 和處理速度的需要。因此，m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)能廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)( b s s ) 、 電纜電視( c a t v ) 、數(shù)字電視地面廣播、數(shù)字聲音廣播、多媒體終端等眾多領(lǐng) 域。其技術(shù)規(guī)范包括6 類( p r o f i l e ) 和4 級(jí)( 1 e v e l ) ，并采用分級(jí)編碼。 所謂類是指m p e g 2 的不同處理方法，每一個(gè)類都包括壓縮和處理方法的 一個(gè)集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具，越高的類編碼越精 細(xì)，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會(huì)更高。 2 而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級(jí)類解碼器均能解碼低級(jí)類方法編碼的 圖像。 表1 - 2m p e g 2 的編碼類定義 編碼類型 支持算法 簡單類( s i m p l ep r o f i l e ) i 幀、p 幀，支持4 ：2 ：0 格式，無可測(cè)量性 主類( m a i np r o f i l e ) 簡單類類型增加支持b 幀格式，無可測(cè)量性 信噪比可分級(jí)( s n rs c a l a b l e )主類類型增加支持信噪比可測(cè)量性 空間可分級(jí)( s p a t i a ls c a l a b l e ) 信噪比可分級(jí)類型增加支持空間可測(cè)量性 高級(jí)類空間可分級(jí)增加支持4 ：2 ：2 主類擴(kuò)展類 主類類型的高碼率擴(kuò)展 所謂級(jí)是指m p e g 2 的輸入格式，標(biāo)識(shí)從有限度的v h s 質(zhì)量圖像到h d t v 圖像，每一種輸入格式編碼后都有一個(gè)相應(yīng)的范圍： ( 1 ) 低級(jí)l l ( l o wl e v e l ) ：圖像輸入格式的象素是i t u r r e c b t 6 0 1 格式的 1 4 ，即3 5 2 2 4 0 x 3 0 或3 5 2 2 8 8 2 5 ，相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為4 1 d b p s 。 ( 2 ) 主級(jí)m l ( m a i nl e v e l ) ：圖像輸入符合i t u r r e c b t 6 0 1 格式，即7 2 0 4 8 0x3 0 或7 2 0x5 7 6x2 5 。相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為1 5 m b p s ，高級(jí)類2 0 m b p s 。 ( 3 ) 1 4 4 0 高級(jí)h 1 4 l ( h ig h l 4 4 0l e v e l ) ：是1 4 4 0 1 15 2 2 5 的高清晰度格式。 相應(yīng)編碼的最大輸出碼率為6 0 m b p s ，高級(jí)類8 0 m b p s 。 ( 4 ) 高級(jí)h l ( h ig hl e v e l ) ：是1 9 2 0 l l5 2 2 5 的高清晰度格式。相應(yīng)編碼 的最大輸出碼率為8 0 m b p s ，高級(jí)類1 0 0 m b p s 。 級(jí)與類之間的組合構(gòu)成m p e g 2 視頻標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的一種技術(shù)規(guī) 范，可以滿足不同層次的應(yīng)用需求，且具有良好的向下兼容性。本文研究的視 頻硬件解碼器滿足m p m l 的技術(shù)規(guī)范的的v l s i 設(shè)計(jì)。 1 1 3m p e g 4 標(biāo)準(zhǔn) m p e g 一4 在1 9 9 5 年7 月開始研究，1 9 9 8 年1 1 月被i s 0 t e c 批準(zhǔn)為正式標(biāo)準(zhǔn)， 編號(hào)是i s o i e c l 4 4 9 6 ，它是超低碼率運(yùn)動(dòng)圖像和語言的壓縮標(biāo)準(zhǔn)1 ，用于傳輸 速率低于6 4 k b p s 的實(shí)時(shí)圖像傳輸，它不僅可覆蓋低頻帶，也可以向高頻帶發(fā)展。 所以m p e g - 4 更適于交互a v 服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，m p e g - 4 傳輸速率在 4 8 0 0 6 4 0 0 b p s 之間，分辨率為1 7 6x1 4 4 ，可以利用很窄的帶寬通過幀重建技術(shù) 壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，從而能以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。因此，它將在數(shù) 字電視、動(dòng)態(tài)圖像、互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控、移動(dòng)多媒體通信、i n t e r n e t i n t r a n e t 上的視頻流與可視游戲、d v d 上的交互多媒體應(yīng)用等方面大顯身手。 最重要的是，較之前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)而言，m p e g - 4 為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè) 更為廣闊的平臺(tái)。它更多定義的是一種格式、一種架構(gòu)，而不是具體的算法。 它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來，包括壓縮本身的一些工具、算法， 也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。m p e g - 4 從其提出之日起就引起了人們的廣 泛關(guān)注，雖然不是每個(gè)人都清楚它的具體目標(biāo)，但卻都對(duì)它寄予了很大的希望。 3 m p e g 一4 的最大創(chuàng)新在于賦予用戶針對(duì)應(yīng)用建立系統(tǒng)的能力，而不是僅僅使用面 向應(yīng)用的固定標(biāo)準(zhǔn)。此外，m p e g - 4 將集成盡可能多的數(shù)據(jù)類型，例如自然和合 成的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)各種傳輸媒體都支持的內(nèi)容交互的表達(dá)方法。借助于m p e g 一4 ， 我們第一次有可能建立個(gè)性化的視聽系統(tǒng)。 1 1 4m p e g 7 2 1 標(biāo)準(zhǔn) m p e g 一7 于1 9 9 6 年l o 月開始研究，制定這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要目的，是為了解決 多媒體內(nèi)容的檢索問題。確切來講，m p e g 一7 并不是一種壓縮編碼方法， 它并 不針對(duì)某個(gè)具體的應(yīng)用，而是通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，m p e g 希望對(duì)以各種形式存儲(chǔ)的多 媒體結(jié)構(gòu)有一個(gè)合理的描述，通過這個(gè)描述，用戶可以方便地根據(jù)內(nèi)容訪問多 媒體信息。在m p e g - 7 體系下，用戶可以更加自由地訪問媒體。比如，用戶可以 在眾多的新聞節(jié)目中尋找自己關(guān)心的新聞，可以跳過不想看的內(nèi)容而直接按自 己的意愿收看精彩的射門集錦；在互聯(lián)網(wǎng)上，用戶鍵入若干關(guān)鍵詞就可以在網(wǎng) 上找到自己需要的克林頓的演講、貝多芬的交響樂等；甚至用戶只需出示一張 克林頓的照片或哼一首音樂的旋律，都可以找到自己所需要的多媒體材料。所 有這些，都取決于m p e g 一7 中對(duì)各種多媒體內(nèi)容的描述。 m p e g 在1 9 9 9 年1 0 月的m p e g 會(huì)議上提出了“多媒體框架”的概念，同年的 1 2 月的m p e g 會(huì)議確定了m p e g - 2 1 的正式名稱是“多媒體框架“ 或“數(shù)字視聽 框架“ ，它以將標(biāo)準(zhǔn)集成起來支持協(xié)調(diào)的技術(shù)以管理多媒體商務(wù)為目標(biāo)，目的 為多媒體傳輸和使用定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、可互操作的和高度自動(dòng)化的開放框架。 1 2m p e g 2 與v l s i 設(shè)計(jì) 視頻編解碼器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)可分為可編程結(jié)構(gòu)和專用結(jié)構(gòu)?？删幊探Y(jié)構(gòu)是指 設(shè)計(jì)使用一個(gè)執(zhí)行指令的硬件核( 一般為d s p 或a r m ) 來實(shí)現(xiàn)解碼的實(shí)現(xiàn)哺兒釗， 通過在硬件核上運(yùn)行程序完成解碼功能，適用范圍廣，能隨不同的算法提供支 持，易于升級(jí)，缺點(diǎn)是電路規(guī)模的龐大和功耗的增加。專用結(jié)構(gòu)一般是通過a s i c 的方法設(shè)計(jì)專用的處理芯片，其適用范圍較窄，但因?yàn)槠渥吭降男阅? 如數(shù)據(jù) 處理效率較高，面積小和功耗低等) 被越來越多的視頻處理器所采用。所以隨 著國際壓縮標(biāo)準(zhǔn)的不斷提出，許多v l s i 廠商看到了視頻編解碼芯片在視聽工 業(yè)、多媒體通信、廣播等領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛前景，紛紛開始了專用視頻壓縮和解 壓縮芯片的開發(fā)工作，自19 9 0 年7 月c c u b e 公司開發(fā)出第一塊j p e g 專用芯 片、于1 9 9 1 年又推出將m p e g 1 視頻解碼器c l 4 5 0 以來，這一領(lǐng)域的v l s i 設(shè)計(jì)在短短的十年問取得了長足的進(jìn)步。 隨著1 9 9 4 年m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)的制定，v l s i 設(shè)計(jì)又集中到了m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)上 面，成為這十幾年設(shè)計(jì)的主流，但其設(shè)計(jì)思想和方法卻有著日新月異的變化。 其大致的發(fā)展過程【1 0 】為，第一階段：解碼系統(tǒng)分別由視頻解碼、音頻解碼和系 統(tǒng)控制3 個(gè)單獨(dú)的芯片組合完成，以松下電氣的m n 6 7 7 4 0 芯片為例，它僅是 一塊視頻解碼芯片，其內(nèi)含音頻視頻數(shù)據(jù)包、視頻解碼、視頻接口、存儲(chǔ)器接 4 口等電路，主要功能是將輸入的壓縮數(shù)據(jù)解壓為音頻和視頻數(shù)據(jù)信號(hào)，并只對(duì) 視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼輸出。這類芯片在早期的d v d 機(jī)上應(yīng)用極為廣泛；第二階 段：視頻和音頻解碼在一塊芯片上完成，系統(tǒng)控制由另一塊芯片完成，整個(gè) m p e g 一2 的系統(tǒng)解碼由這兩塊芯片構(gòu)成，這類芯片以l s il o g i c 公司的l 6 4 0 2 0 為代表，它于1 9 9 8 年推出，集成了兩個(gè)獨(dú)立的音視頻解碼器：音頻解碼器支持 i s o1 3 8 1 8 3 兩聲道解碼、杜比數(shù)字5 1 聲道和線性p c m 音頻數(shù)據(jù)流，視頻解 碼支持i s o1 3 8 1 8 2 標(biāo)準(zhǔn)，解碼分辨率可達(dá)到7 2 0 * 4 8 0 3 0 f p s ，這類芯片主要也 是用在d v d 上。第三階段就是由一塊芯片完成m p e g 2 解碼的全部功能，除 此之外，現(xiàn)在，其設(shè)計(jì)思路還向著功能多樣化、更高集成度、軟硬件合成設(shè)計(jì) 的方向發(fā)展。比如富士通0 8 年1 2 月推出的多路解碼器芯片m b 8 6 h 0 1 就代表 了這種設(shè)計(jì)思想： 表卜3m b 8 6 h 0 1 解碼器的主要規(guī)格表 內(nèi)部c p u a r ca r m 7 t d m i - s 刑( 2 0 2 5 m h z ) ； 用于h 2 6 4 視頻解碼 解碼等級(jí) m p e g 一2 視頻：主要類 主要級(jí)( m p m l ) 解碼器 視頻h 2 6 4 視頻：主要類l e v e l 3 0 解碼器 i t u rb t 6 5 6 輸入，數(shù)字r g b 8 8 8 輸出，y c r c b 模擬s d 輸出 解碼支持支持p a l n t s c s e c a m 格式 格式 m p e g - 1 2l a y e ri i i 音頻 通道2 路通道 接口l r 串行、1 2 s 、s p d i f t s 處理 m p e g 2t s ，3 個(gè)輸入流，內(nèi)置d v b 解擾器，3 d e s 加密解 密 d d r 存儲(chǔ)器接口 1 6 b i td d r s d r a m1 3 5 【 王z ，1 2 8 m b i t - - 一5 1 2m b i ts d r a m f l a s h 存儲(chǔ)器接口支持串行閃存、n o rf l a s h 、n a n df l a s h u s b u s b 2 0 高速o t g 控制器 外部輸入輸出接口 u a r t 、1 2 c 、s m a r tc a r d * 2 、r x z x 、p w m 、g p i o 由表可知，芯片的主要特性有： 1 此芯片由兩個(gè)m p e g 2 解碼器和一個(gè)h 2 6 4 解碼器構(gòu)成，能夠解碼標(biāo)清 m p e g 2 和h 2 6 4 格式，不僅能夠處理西歐的m p e g 2 的標(biāo)清廣播，還能支持 即將在東歐和俄羅斯實(shí)行的h 2 6 4 格式標(biāo)清廣播，又能用于中國有限電視服務(wù) 中的交互式視頻點(diǎn)播( v o d ) 。此外，兩個(gè)m p e g 2 解碼器可同時(shí)處理2 個(gè)視 頻流，觀眾可同時(shí)觀看兩個(gè)節(jié)目。 2 芯片內(nèi)嵌了2 0 2 5 m h z 的高性能a r cc p u ，并支持必要的音頻解碼、接 受信號(hào)功能和屏幕顯示功能，方便客戶開發(fā)各式各樣的應(yīng)用。 3 小封裝，實(shí)現(xiàn)了低功耗，是便攜式設(shè)備和小尺寸的理想之選。該解碼器 還集成了高速u s b 2 0o t g 控制器，極大的提高了與數(shù)碼相機(jī)等外部設(shè)備的連 接性。 由于集成度不高，所以第一階段所屬的芯片幾乎消失在主流的應(yīng)用市場(chǎng)，由 5 于市場(chǎng)的細(xì)分，第二類的產(chǎn)品還占有較大的應(yīng)用市場(chǎng)，在更高集成度的產(chǎn)品上， 取而代之的是第三階段的各類的芯片產(chǎn)品。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新理論的出現(xiàn)， 芯片設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法越來越多樣化，相信以后會(huì)有更多高效的m p e g 2 解碼芯 片出現(xiàn)。 1 3m p e g 2 的未來 m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)頒布以來已有l(wèi)5 年了，所以很多人稱之為陳舊的m p e g 一2 ， 相比較而言，人們更沉醉于m p e g 4 或h 2 6 4 帶來的優(yōu)點(diǎn)。盡管它們給我們帶 來了一系列的變化，但在d v d 和d t v 領(lǐng)域，m p e g 2 技術(shù)仍然有很強(qiáng)的生命 力。 雖然，新興的a v c 將在一些非傳統(tǒng)的領(lǐng)域，例如移動(dòng)手持設(shè)備和個(gè)人媒體 播放器開始興起，顯然a v c ( h 2 6 4 ) 正在創(chuàng)造一個(gè)更大的基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視 頻市場(chǎng)，但15 年的大眾市場(chǎng)積累使得基于m p e g 2 的內(nèi)容和基礎(chǔ)設(shè)施鞏固了 m p e g 2 的地位。此外，d v d 設(shè)備和數(shù)字電視接收器已經(jīng)進(jìn)入了家庭，所以盡 管大量的視頻光盤和電視接收器支持a v c ，但這些設(shè)備依然需要支持m p e g 一2 以保證能夠和已有的m p e g 2 內(nèi)容兼容。所以說，m p e g 2 編解碼器在未來1 0 年內(nèi)會(huì)依然占據(jù)統(tǒng)治地位。 1 4 主要工作及論文結(jié)構(gòu) 本論文完成的主要工作有以下方面： 1 建立了m p e g 2 視頻解碼的軟件模型，并給予解析改寫，和硬件設(shè)計(jì)的 結(jié)果作比較，以驗(yàn)證硬件解碼結(jié)果的正確性。 2 實(shí)現(xiàn)了m p e g 2 視頻器的系統(tǒng)架構(gòu)，并完成了大部模塊的r t l 級(jí)設(shè)計(jì)， 并予以仿真。 3 搭建了解碼器r t l 級(jí)的驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的f p g a 原型驗(yàn)證，最后完 成系統(tǒng)的邏輯綜合，給出綜合結(jié)果。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論，介紹m p e g 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的歷程和m p e g 2 的v l s i 設(shè)計(jì)史，并 概括整體論文結(jié)構(gòu)。 第二章：m p e g 2 的算法標(biāo)準(zhǔn)。本章對(duì)m p e g 2 視頻的編解碼原理、解碼的 關(guān)鍵算法做了詳細(xì)的闡述。 第三章：m p e g 2 視頻解碼的軟件模型和硬件設(shè)計(jì)概述。本章利用c 程序軟 件為要設(shè)計(jì)的硬件解碼器建立了完整的參考，以便更早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題。 第四章：m p e g 2 視頻解碼器的硬件實(shí)現(xiàn)。章實(shí)現(xiàn)m p e g 2 視頻解碼器的 r t l 級(jí)代碼設(shè)計(jì)，并通過仿真。 第五章：解碼器的驗(yàn)證和綜合。對(duì)完成設(shè)計(jì)的解碼器進(jìn)行f p g a 驗(yàn)證，然后 基于s m i c 0 1 8 工藝庫完成邏輯綜合。 6 最后總結(jié)全文，并展望了進(jìn)一步的工作方向。 1 5 本章小結(jié) 本文首先介紹了國際上比較通用的m p e g 壓縮標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程，并對(duì) m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)做了相對(duì)詳細(xì)的介紹，確定實(shí)現(xiàn)m p e g 2 ( m p m l ) 視頻解碼器的 v l s i 設(shè)計(jì)。接著介紹了用v l s i 實(shí)現(xiàn)m p e g 2 解碼的發(fā)展過程和m p e g 2 的 未來，最后概括了論文的結(jié)構(gòu)，是整篇論文的起點(diǎn)。 7 第二章m p e g 2 的算法標(biāo)準(zhǔn) 2 1m p e g 2 解碼原理 視頻解碼是從編碼壓縮碼流中恢復(fù)視頻對(duì)象的過程u 剔。圖2 - 1 所示的是 m p e g 2 的編解碼算法模型。輸入視頻序列首先做預(yù)處理，判斷是否需要運(yùn)動(dòng) 估計(jì)，它是指當(dāng)前圖像中象素塊從參考幀中尋找最佳匹配塊的過程，搜尋結(jié)果 采用運(yùn)動(dòng)向量表示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)向量從參考幀中形成對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)塊，得到一個(gè)兩 維的矩陣預(yù)測(cè)采樣值，將當(dāng)前的圖像減去預(yù)測(cè)值，剩余殘值做離散余弦變換， 并對(duì)系數(shù)進(jìn)行量化操作，量化后的數(shù)據(jù)做可變長編碼，得到最終的壓縮數(shù)據(jù)。 如果不需要運(yùn)動(dòng)估計(jì)，圖像將做幀內(nèi)編碼類型的處理，依次做離散余弦變換、 量化和可變長編碼，