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視頻壓縮IPcore設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種基于FPCA技術(shù)的視頻壓縮IPcore(Intellectual Property core，智力產(chǎn)權(quán))設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用了分布式算法、并行運(yùn)算和流水線單元，通過VerilogHDL(Veriog Hardware DescdPtionLanSuage)硬件描述語言描述運(yùn)算單元及其結(jié)構(gòu)配置。整個(gè)系統(tǒng)能在27MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下工作。現(xiàn)行的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)有多種，但基本屬于以下兩大類：視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)和多媒體標(biāo)準(zhǔn)。視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)包括ITU(Intemational Telecommunication Union)的H．263／H．261等。這些標(biāo)準(zhǔn)主要采用了基于DCT(離散余弦變換)編碼、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，使視頻流能以Nx64kbps(N=1～32)的速率傳輸。
多媒體壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要包括：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等，由CCITT和ISO的動(dòng)態(tài)圖像專家組(MotionPicture Experts Group)制定。MPEG-1主要應(yīng)用在以CD-ROM為介質(zhì)的視頻上，比特率為1．5Mbps。MPEG-2應(yīng)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(chǔ)音視頻。而MPEG-4是為了提供更有效的視頻壓縮，基于內(nèi)容提供廣泛的接人方式。它既可以在5-64kbps的移動(dòng)電話和公共交換網(wǎng)中應(yīng)用，也可以在4Mbps帶寬的電視中應(yīng)用。
JPEG(Joint Photographic Experts Group)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)適用范圍廣泛的通用標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)圖像的壓縮[1]。
近年來，隨著FPGA技術(shù)的日益成熟，愈來愈多的曾使用軟件或DSP實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜數(shù)字算法開始使用PPCA完成。這當(dāng)然是由于FPGA的特殊結(jié)構(gòu)和特性，使它可以更加高速和高效地完成這些算法。IPcore技術(shù)可以把這些FPGA中的算法設(shè)計(jì)封裝成包(模塊)。這些包具有智力產(chǎn)權(quán)，可以被繼承、共享或購(gòu)買。
1 視頻壓縮原理和算法實(shí)現(xiàn)
視頻壓縮技術(shù)主要利用圖像信號(hào)的相關(guān)、冗余等特性，通過一些變換算法，保留對(duì)人眼視覺最重要的部分，進(jìn)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(duì)人眼重要的高頻部分，低精度保留低頻部分從而對(duì)視頻流進(jìn)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(jìn)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(jìn)行2D-DCT變換，運(yùn)算量將會(huì)十分巨大，普通FPGA很難有效完成整個(gè)視頻壓縮運(yùn)算。所以需要先把2D-DCT運(yùn)算進(jìn)行一些變換，簡(jiǎn)化計(jì)算，減少運(yùn)算量。
2D-DCT具有正交可分解性悶，可以通過對(duì)輸入的矩陣先做一維行變換，再做一維列變換實(shí)現(xiàn)。即將8x8數(shù)據(jù)先按行方向進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生中間矩陣，再對(duì)中間矩陣按列方向進(jìn)行累加運(yùn)算，最后得到變換結(jié)果。2D-DCT可以分解成兩個(gè)1D-DCT運(yùn)算，見公式(2)。
將公式(2)展開成矩陣形式，得到公式(3)。計(jì)算一個(gè)這樣的單元需要64個(gè)乘法器和56個(gè)加法器，運(yùn)算量還是很大。利用公式(3)的對(duì)稱性進(jìn)行變換，可以得到公式(4)，使乘法器減少到32個(gè)，加法器減少到8個(gè)。
一個(gè)由公式(4)推演出的分布式乘法器如圖2所示。4個(gè)乘數(shù)(x0…x3)同時(shí)與各自
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