【摘要】：參考幀壓縮是一種降低編碼器外存帶寬要求的有效方法,對(duì)P/B幀壓縮尤其有效。本文將提出一種新穎的基于塊內(nèi)預(yù)測(cè)(In Block Prediction,IBP)的參考幀壓縮算法。該算法會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)集合的數(shù)據(jù)：預(yù)測(cè)殘差(Prediction Residual, PT,基本集)和截位殘差(Truncated Residual,TR,增強(qiáng)集)。通過配合使用這兩個(gè)集合的數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同檔次的還原像素——有損像素和無損像素,有損像素壓縮率高,無損較低。這兩種像素被用到編碼器的不同部分。與已有算法相比,所提算法通過兩個(gè)方面來減少系統(tǒng)帶寬需求：第一方面來自像素截位,算法為整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)(Integer Motion Estimation, IME)提供有損像素進(jìn)行運(yùn)算,而為分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)(Factional Motion Estimation, FME)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(Motion Compensation,MC)提供無損像素。由于整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)載入的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,所以大部分參考幀采用的是壓縮率較高的有損數(shù)據(jù),少部分使用無損數(shù)據(jù)。這種分檔次數(shù)據(jù)提供策略可以節(jié)省大約37.5%的系統(tǒng)帶寬(3比特截位)。第二方面來自算法本身的壓縮效率。參考幀被壓縮后需要載入的數(shù)據(jù)量減少,系統(tǒng)帶寬需求降低。像素截位還非常有助于提高后續(xù)PR壓縮的壓縮率。實(shí)驗(yàn)證明,進(jìn)行3比特截位后可使圖像壓縮到原來的15.4%,而現(xiàn)在大部分的參考幀壓縮算法只能達(dá)到50%左右。像素尾比特截位(Tail Bit Truncation, TBT)產(chǎn)生的PR是有損的數(shù)據(jù),TR是截出的尾位。如果將PR和TR相加可以很容易的獲得無損的還原數(shù)據(jù)。PR數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)一步通過塊內(nèi)預(yù)測(cè)(IBP)和小值優(yōu)化的變長(zhǎng)編碼(Small Value Optimized Variable Length Coding,SVO-VLC)進(jìn)行壓縮。所提算法的無損壓縮效率(PR+TR)也可達(dá)到44.5%,超出了大部分現(xiàn)有算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,3比特截位時(shí),所提算法大約可以節(jié)省74.5%的系統(tǒng)帶寬需求。另外,基于快內(nèi)預(yù)測(cè)的IME可以在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)減少35%的面積開銷。本文所提算法具有很好的軟硬件兼容性,也能對(duì)IME的快速算法很好兼容。同時(shí),在小的截位數(shù)情況下(n4),編碼圖像質(zhì)量的下降基本可以忽略。本文的主要工作包括：(1)分析國(guó)內(nèi)外目前存在的參考幀壓縮算法,對(duì)其進(jìn)行分類,總結(jié)它們的優(yōu)點(diǎn)及不足。(2)提出一種適合于HEVC編碼器的參考幀壓縮算法,算法可以做到高效壓縮,并且對(duì)編碼器透明。(3)軟件實(shí)現(xiàn)算法,使用C++對(duì)算法建模,驗(yàn)證和評(píng)估算法的性能。(4) VLSI實(shí)現(xiàn)參考幀壓縮算法,對(duì)硬件構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。(5)把參考幀壓縮的codec作為一個(gè)IP,設(shè)計(jì)IP的輸入和輸出部分。輸入輸出實(shí)現(xiàn)和HEVC編碼器以及外存的透明連接,采用EDA工具對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步仿真并采用Design Compiler進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合。
【圖文】：

述發(fā)展趨勢(shì)的要求，現(xiàn)在主流的Ｈ．２６４凸顯出了很多局限性。由于視逡逑的增大，編碼宏塊個(gè)數(shù)爆發(fā)增長(zhǎng)，導(dǎo)致編碼宏塊的預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量逡逑字增加，降低了視頻壓縮的效率。大的分辨率也使得運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)矢量逡逑加，Ｈ．２６４對(duì)矢量編碼使用指數(shù)哥倫布編碼，大的幅值將降低指數(shù)哥逡逑的編碼效率。另外，Ｈ．２６４的串行處理方式限制了其在ＧＰＵ、ＤＳＰ和高逡逑ＣＰＵ上的優(yōu)化應(yīng)用，成為了運(yùn)算的性能瓶頸。逡逑足Ｗ上發(fā)展趨勢(shì)，２０１０年１月ＩＴＵ－Ｔ邋ＶＣＥＧ和１Ｓ０／ＩＥＣ邋ＭＰＥＧ聯(lián)合逡逑ＶＣ聯(lián)合組織，致力于定制新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)：ＨＥＶＣ（Ｈｉ班陸Ｉｃｉｅｎ巧逡逑ｉｎｇ），并于２０１３年１月正式在業(yè)界公布。逡逑ＶＣ邋簡(jiǎn)介逡逑２為現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程，由ＩＴＵ－Ｔ和ＩＳＯ／化Ｃ聯(lián)合推出的逡逑最新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于２０１３年１月發(fā)布為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，逡逑新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，仍然采用了預(yù)測(cè)加變換的源合編碼框架，并采逡逑

．３視頻壓縮中的帶寬問題逡逑與之前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，ＨＥＶＣ定位于超高清應(yīng)用領(lǐng)域�，F(xiàn)在，１０８０Ｐ己逡逑變?yōu)榱水?dāng)前的主流需求，而更高的清晰度，，例如４ＫＸ２Ｋ的ＱＦＨＤ邋（Ｑｕａｄ化１１逡逑ｉｇｈ邋Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）己經(jīng)被作為了下一代視頻應(yīng)用的目標(biāo)尺寸。相比于１０８０Ｐ，邋ＱＦＨＤ逡逑系統(tǒng)的帶寬要求提出更高要求，這將成為系統(tǒng)高速、低功耗設(shè)計(jì)的瓶頸。逡逑對(duì)于ＨＥＶＣ，帖間編碼時(shí)可選不同參考偵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，１＾此提供更好的預(yù)逡逑結(jié)果和更高的糾錯(cuò)性能。但一般情況下，特別是在超高清應(yīng)用中，參考頓數(shù)據(jù)逡逑巨大，將被存儲(chǔ)在片外的存儲(chǔ)器上。在編碼器進(jìn)行編碼時(shí)，運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)逡逑等操作會(huì)用到參考偵，編碼器將參考帖由片外載入片上。對(duì)于１０８０Ｐ＠３０ｆｐｓ的逡逑高清視頻流來說，c\索窗口大小取為［－６４，邋＋６３］，整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)（ＩＭＥ）的外逡逑訪問帶快要求高達(dá)４０Ｇｂｐｓ，分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)（ＦＭＥ）和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（ＭＣ）的帶逡逑寬要求也有３．１Ｇｂｐｓ。對(duì)于編碼４Ｋ的視頻流，其帶寬要求將是１０８０Ｐ的１０多逡逑，這樣高的外存訪問帶寬將極大的挑戰(zhàn)１Ｃ的高速和低功耗設(shè)計(jì)，另外也將給逡逑０帶來巨大挑戰(zhàn)。逡逑
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN919.81

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本文編號(hào)：2646461