視頻壓縮IPcore設計

摘要：介紹了一種基于FPCA技術的視頻壓縮IPcore(Intellectual Property core，智力產權)設計。設計中綜合運用了分布式算法、并行運算和流水線單元，通過VerilogHDL(Veriog Hardware DescdPtionLanSuage)硬件描述語言描述運算單元及其結構配置。整個系統(tǒng)能在27MHz系統(tǒng)時鐘下工作。

現(xiàn)行的視頻壓縮標準有多種，但基本屬于以下兩大類：視頻會議標準和多媒體標準。視頻會議標準包括ITU(Intemational Telecommunication Union)的H．263／H．261等。這些標準主要采用了基于DCT(離散余弦變換)編碼、運動補償?shù)燃夹g，使視頻流能以Nx64kbps(N=1～32)的速率傳輸。

多媒體壓縮標準主要包括：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等，由CCITT和ISO的動態(tài)圖像專家組(MotionPicture Experts Group)制定。MPEG-1主要應用在以CD-ROM為介質的視頻上，比特率為1．5Mbps。MPEG-2應用在NTSC／PAL和CCIR601中， 比特率為2～10Mbps。MPEG—1和MPEG—2的目的都是有效傳輸和存儲音視頻。而MPEG-4是為了提供更有效的視頻壓縮，基于內容提供廣泛的接人方式。它既可以在5-64kbps的移動電話和公共交換網中應用，也可以在4Mbps帶寬的電視中應用。

JPEG(Joint Photographic Experts Group)標準是一個適用范圍廣泛的通用標準，由聯(lián)合圖像專家小組制定。它不僅適用于靜止圖像的壓縮，也適用于電視圖像序列的幀內圖像的壓縮[1]。

近年來，隨著FPGA技術的日益成熟，愈來愈多的曾使用軟件或DSP實現(xiàn)的復雜數(shù)字算法開始使用PPCA完成。這當然是由于FPGA的特殊結構和特性，使它可以更加高速和高效地完成這些算法。IPcore技術可以把這些FPGA中的算法設計封裝成包(模塊)。這些包具有智力產權，可以被繼承、共享或購買。

1 視頻壓縮原理和算法實現(xiàn)

視頻壓縮技術主要利用圖像信號的相關、冗余等特性，通過一些變換算法，保留對人眼視覺最重要的部分，進行編碼傳輸。大部分視頻壓縮利用2D-DCT(二維離散余弦變換)和2D-IDCT(二維反離散余弦變換)變換得到圖像的頻譜，高精度保留對人眼重要的高頻部分，低精度保留低頻部分從而對視頻流進行壓縮[1]。其過程如圖1所示。

1.1 DCT變換算法

2D-DCT變換是視頻壓縮中的常用變換[2]。在壓縮過程中，將一幅圖像分成許多8x8的小塊進行變換。

8x8的2D-DCT變換如公式(1)所示：

如果直接使用公式(1)進行2D-DCT變換，運算量將會十分巨大，普通FPGA很難有效完成整個視頻壓縮運算。所以需要先把2D-DCT運算進行一些變換，簡化計算，減少運算量。

2D-DCT具有正交可分解性悶，可以通過對輸入的矩陣先做一維行變換，再做一維列變換實現(xiàn)。即將8x8數(shù)據(jù)先按行方向進行累加運算，產生中間矩陣，再對中間矩陣按列方向進行累加運算，最后得到變換結果。2D-DCT可以分解成兩個1D-DCT運算，見公式(2)。

將公式(2)展開成矩陣形式，得到公式(3)。計算一個這樣的單元需要64個乘法器和56個加法器，運算量還是很大。利用公式(3)的對稱性進行變換，可以得到公式(4)，使乘法器減少到32個，加法器減少到8個。

一個由公式(4)推演出的分布式乘法器如圖2所示。4個乘數(shù)(x0…x3)同時與各自

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