（微电子学与固体电子学专业论文）离散余弦逆变换的硬件实现.pdf

上海大学研究生毕业论文 摘要 图像压缩编解码技术是现代多媒体及通信领域中的关键技术之一。目前己出 现了多种压缩技术并制定t h 应的国际标准。离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m e r ，d c t ) 及其逆变换( i n v e r s ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m e r ， i d c t ) 是许多图像编码国际标准的核心。离散余弦变换是解决压缩图像空间冗余 度的主要方法，也是图像达到高压缩比所采用的重要方法之一。 本文的研究即是针对离散余弦逆变换的硬件实现问题进行的，主要包括以下 几个方面的工作： 首先介绍了视频压缩技术，并简述了视频编码的几个标准。阐述了离散余弦 变换的研究现状，以及对离散余弦变换进行研究的意义。 然后对离散余弦逆变换做了深入分析。给出了基于分布式算法( d i s t r i b u t e d a r i t h m e t i c ，o a ) 的离散余弦逆变换结构，并对此结构进行了字长仿真。详细设 计了离散余弦逆变换模块，给出了v h d l 实现后的仿真波形图。 最后，用f p g a 开发板完成离散余弦逆变换的功能验证，并结合a s i c 设讨乙 的流程，采用上华o 6 u m 的工艺库对离散余弦逆变换模块进行逻辑综合和自动布 局布线，最终完成离散余弦逆变换的a s i c 设计。 关键字：离散余弦逆变换，分布式算法，v l s i ，f p g a 上海大学研究生毕业论文 a b s t r a c t i m a g ec o m p r e s s i o ne n c o d i n gi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nm o d e m m u l t i m e d i aa n dc o m m u n i c a t i o nf k l d a m o n gk i n d so fc o m p r e s s i n gm e t h o d s ， d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ( d c t ) i st h ec o r eo f m o s ti n t e r n a t i o n a li m a g ec o m p r e s s i n g s t a n d a r d s d c ta r e i m p o r t a n tm e t h o d so f c o m p r e s s i n gt e m p o r a lr e d u n d a n c y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ev l s i - h a r d w a r e - - r e a l i z a t i o no f d c t a n dt h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h et e c h i m q u e so fv i d e oc o m p r e s s i o na n ds o m es t a n d a r d so fv i d e o d e c o d e ri sr e v i e w e d e x p a t i a t et h ea c t u a l i t yr e s e a r c ho fi d c t , a n dt h es i g n i f i c a n c eo f r e a s e a r c ho n ) c t s e c o n d l y , d c ti ss t u d i e dd e e p l y t h ed c t a r c h i t e c t u r ed e b a s e d o 1d i s t r i b u t e d a r i t h m e t i ci sp r o v i d e d t h ew o r d - l e n g t hi ss i m u l a t e d ，t h ed c tm o d u l ei sd e s i g n e d i nd e t a i la n dt h eb l o c kd i a g r a m sa n dw a v e f o r ms i m u l a t i o nd i a g r a m sa r ep r o v i d e d d c ti sv e r i f i e di nf p g a d c th a r d w 艇_ ec i r c u i ti ss y n t h e s i z e do u t 丽t l la m b i to f c a d e n c e p l a c e da n dr o u t e dw i t hs eo fc a d e n c eb yo 6 u mc o m st e c h n o l o g yi nt h e 1 a s ts e c t i o n k e y w o r d ：i n v e r s ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m e r ，d i s t r i b u t e da r i t h m e t i c ，v l s i ， f p g a 上海大学研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 视频压缩编码的技术概述 1 1 1 视频压缩的必要性 人类接受的信息大约7 0 o 来自视觉【1 】，因此它是人类最有效和最重要的信息 获取形式。随着计算机技术、微电子技术、网络技术和信息处理技术的发展，在 人类社会进入信息化时代的今天，图像信息的处理存储和传输在社会生活中的作 用将越来越突出，人们对接受图像信息的要求也越来越迫切。已经可以断言，图 像通信将是通信事业发展中面临的最大挑战，也是未来通信领域的市场热点之所 在。 和语音或文字信息相比，图像包含的信息量更大，更直观，更确切，因而具 有更高的使用效率和更广泛的适应性。但是图像具有信息容量大的特点，这给视 频图像的存储、传输等带来了很大的挑战。对于桌面数字化视频应用来说，视频 压缩编解码技术起着关键性作用【2 】。如果没有压缩，要想对一帧n t s c 制式的彩 色视频进行数字化传输的话( 视频图像数字化成7 2 0 像素4 8 0 线，每种色度中 的每个像素用8 位表示，每秒传输3 0 帧) ，则要求信道的传输能力要达到 2 4 8 m b p s 。同样，一帧h d t v 的彩色视频图像，其分辨率为1 9 2 0 像素x 1 0 8 0 线， 每种色度中的每个像素用8 位表示，每秒传输3 0 帧，那么需要信道的传输速率 为1 5 g b p s 。照这样的数据传输速率计算，在对图像不进行压缩的情况下，一张 存储空间大约6 5 0 m 字节的c d 盘只能够存储大约2 0 秒钟的n t s c 制式的视频图像 或3 秒钟的h d t v 视频图像。目前c d - r o m 设备的典型数据传输率约为1 5 0 她s ， 那么要想从c d 盘播放全运动n t s c 质量的视频图像( 1 2 m b p s 用于播放视频信号， 0 3 m b p s 用于播放立体声音频信号) ，必须对视频信号进行2 0 0 ：1 的压缩。经过 2 0 0 ：1 的压缩后一张c d 盘可以保存3 4 0 0 秒钟即大约1 个小时的视频图像。i - i d t v 信号必须在6 m h z 的信道( 该信道能够支持大约2 0 m b p s 的速率) 上播出，这样， 要想播出h d t v 信号，就需要进行7 5 ：1 的压缩。因此，在保证一定的通信质量 的前提下，设法压缩数字图像的数据量，从而压缩所需传输信道的频带宽度将是 上海大学研究生毕业论文 实现数字图像通信的一个关键问题。 1 1 2 视频压缩编码的基本方法 视频压缩编码方法按照使用的图像帧可以分为帧内和帧间压缩编码两类。 帧内( i n t r a f r a m e ) 压缩也称为空间压缩( s p a t i a lc o m p r e s s i o n ) 。当压缩一 帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静 态图像压缩类似，压缩编码时可以采用以下静态图像压缩编码习技术，如 p c m ( 脉冲编码调制) 、预测编码、变换编码( 主成分变换或k l 变换、离散余弦 变换d c t 等) 、统计编码( h u 岱m a n 编码、算术编码、s t m r m o n - f a n o 编码、行程! 编码等) 、矢量量化和子带编码等。由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系， 所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高 的压缩。但在有些特殊的应用中，如要求能对所有的图像有随机存取的能力， 必须使用帧内压缩方法，而不能使用帧间压缩方法。帧间( i n t e r f r a m e ) 压缩 编码是基于视频或动画的连续帧之间具有很大的相关性，即连续的视频其相邻 帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步 提高压缩量，增加压缩b b 。帧间压缩也称为时间压缩( t e m p o r a lc o m p r e s s i o n ) ， 它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧差值( f r a m e d i f f e r e n c i n g ) 算法是种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间 的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。 视频压缩编码方法按照算法原理来划分，主要有三类。 一、无损( l o s s l e s s ) 压缩编码 无损压缩是指对使用压缩后的数据进行重构，解压缩后得到的数据与原来的 数据完全相同。无损压缩又可称作冗余度压缩、嫡编码、信息保持编码等，它主 要用于要求重构的信号与原始信号完全一致的场合，在多媒体技术中一般用于文 本、数据的压缩。许多实用的无损压缩技术可以归结成一大类统计编码方法，它 们在一些有损压缩方法中也经常被用到。例如，在医学图像的传输或存储中，由 于有失真编码可能会影响到医学诊断的准确性，同样，法律上只能采用无损编码。 熵编码就是一种无损编码，它是纯粹基于信号统计特性的一种编码技术，解 码后能无失真地恢复原图像。常用的熵编码方法有霍夫曼( h u f l 胁a n ) 编码和算 2 上海大学研究生毕业论文 术编码。h u f f m a n 编码是一种不等长最佳编码方法，即它的平均码长比相同概率 分布的信源用其它任何一种有效编码方法得出的码长都短。算术编码的基本原理 是任何一个数据序列均可表示成“0 ”或“l ”之间的一个间隔，该间隔的位置与 输入数据的概率分布有关。 这种编码方法仅仅利用了图像中存在的冗余或相关性，而不考虑人眼的视觉 特性，所以，采用无损编码，其编码压缩比通常不高。 二、 有损( l o s s y ) 压缩编码 有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，解压缩后得到的数据与原来的数 据有所不同，但不会让人对原始资料表达的信息造成误解。有损压缩是有失真编 码，是不可逆压缩。以此为代价，在保证定的图像质量的情况下，有损编码能 够得到很高的压缩比。有损压缩适用于重构信号不一定要和原始信号完全相同的 场合。如图像、声音和动态视频等数据的压缩就可以采用有损压缩。 有损压缩编码包括预测量化编码，变换编码和子带编码等。 1 、预测编码( p r e d i c t i v ec o d i n g ) 预测编码可以在一幅图像内进行( 桢内预测编码) ，、也可以在多幅图像 之间进行( 帧间预测编码) 。预测编码基于图像信息的空间和时间的冗余特 性，用相邻像素( 或图像块) 来预测当前像素( 或图像块) 的取值，然后再 对预测误差进行量化和编码。预测编码的关键在于算法的选取，这与图像信 号的概率分布有很大关系。 2 、变换编码( t r a n s f o i mc o d i n g ) 变换编码是消除图像信息结构相关冗余的一种更有效的方法。通过信号 变换，使图像数据在变换域上最大限度地不相关。尽管图像变换本身并不带 来数据压缩，但由于变换后系数之间的相关性明显降低，图像的大部分能量 只集中在少数一些交换系数上，采用适当的量化和熵编码就可以有效地实现 压缩编码，且可以利用人类视觉的生理和心理特点来得到较好的编码系统。 对于变换方法的选择最好能与图像信号的特征匹配，此外还应失真要求、实 现的难易和编码比特率等诸多方面综合考虑。对此，在实际编码工作中，常 采用离散余弦变换d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 。 3 、子带编码s b c ( s u b b a n dc o d i n g ) 。 3 - 上海大学研究生毕业论文 子带编码利用m 个带通滤波器把信号频带分解成若干个子带，对各个 子带独立编码，然后再综合输出。子带变换编码技术其实是介于d p c m 与 d c t 之间的变换编码，子带编码的突出优点是，经镜像滤波器组分解的各子 带图像信号，在编码时，其噪声局限于本子带中，各子带信号可以按照不同 图像质量的优先级传输。 对于图像编码，子带编码的价值体现在：客观质量高，主观效果好；编 码率低的时候，没有变换编码的“方块效应”；复杂度不高，且适合并行处 理；便于渐进编码，特别适合作为a t m 传输或i p 网络中的图像编码格式； 适合于“多分辨率”设备与系统。 有损压缩编码是根据人的生理和心理特性，当失真小于定的范围，通 常都不会被察觉或影响很小。因而在一定失真范围内可以大大提高压缩比。 三、混合编码 在实际的系统中，选择上述几种编码技术的组合，可以在某一可接受图像质 量下，得到较高的压缩比，有时称这种方法为混合编码。对于不同的应用通常有 多种组合，用于实时电视信号压缩编码的一种成熟方案包括：基于运动估值和运 动补偿的差分脉冲编码调制，二维的离散余弦变换d c t ，可以实现最佳不等长 编码的h u f f m a n 编码等。这个混合方案是当前提出的几种图像编码国际标准的基 础。其中包括i s o i e c 关于静止图像的编码标准j p e g ，c c i t t ( 现i t u _ t ) 关于 电视电话会议电视的视频编码标准h 2 6 1 和i s o i e c 关于活动图像的编码标准 m e p g - 1 、m e p g 一2 、m e p g - 4 。这些标准图像编码算法融合了各种性能优良的传 统图像编码方法，是对传统编码技术的总结，代表了目前图像编码的发展水平。 在本文中，我们主要是研究离散余弦变换的压缩方法。因为视频图像在空间 上有很强的相关性，利用离散余弦变换技术可以有效地去除图像空间冗余，达到 高压缩比，所以离散余弦变换方法已广泛应用于视频压缩国际标准，如h 2 6 1 n 、 h 2 6 3 5 1 、m p e g 一1 1 4 1 、m p e g 2 和h d t v 中。 1 2 现有的视频编码标准及其介绍 随着网络与多媒体日益广泛的应用，人们对媒体信息的消费需求不断地增 长，统一的国际标准是多媒体信息和技术产品在全球范围内通用的必要基础。视 上海大学研究生毕业论文 频压缩编码经过四十多年，尤其是最近二十多年的发展，有些技术己十分成熟， 其中以离散余弦变换( d c t ) 为代表的一类算法得到了广泛的应用和认可，并被 采纳为国际标准。压缩方式很大程度上决定着图像的质量、压缩比、传输效率、 传输速度等性能。随着多媒体技术的发展，相继推出了许多压缩编码标准，目前 主要有：j p e g e g2 0 0 0 、h 2 6 1 h 2 6 3 和m p e g 系列等标准。上述标准中， 除了3 p e g2 0 0 0 是采用小波变换外，其它都是采用d c t 变换，这是因为d c t 变 换可以使图像的大部分能量集中到直流和低频部分，这对于图像编码非常重要， 而且d c t 变换还有易于硬件并行实现的优点。 1 9 8 0 年以来，国际标准化组织( 1 8 0 ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联 盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 陆续完成了各种数据压缩与通 信的标准和建议，如面向静止图像压缩的c c i t tt 8 1 及i s o1 0 9 1 8 ( j p e g ) 标准， 在运动图像方面用于视频会议的c c i t th 2 6 1 ( p x 6 4 ) 标准、用于可视电话的 c c i t th 2 6 3 标准、用于v c d 的i s 0 1 1 1 7 2 ( m p e g 一1 ) 及用于广播电视和d v d 的 i s o i e c1 3 8 1 8 ( m p e g 一2 ) 标准以及适用于低传输速率m p e g 一4 和定义多媒体信息 标准的m p e g - 7 。下面就这些标准做一些简单介绍。 1 2 1h 2 6 1 建议 c c i t t ( 即后来的i t u ) 第1 5 研究组于1 9 8 4 年成立了“可视电话专家组”， 经过3 年的研究，提出了视频编解码器的h 2 6 1 建议草案，1 9 9 0 年7 月通过了 该建议。h 2 6 1 是用于会议电视的国际标准，既采用了帧内编码，又采用了帧 间编码，因此它的压缩比大致是j p e g 的三倍。h 2 6 1 标准用于音像业务的码率 是p 6 4 k b p s ( p = l ，2 ，3 0 ) 。用于电视电话时p = l 或2 ，用于电视会议时p 6 。 这种标准具有最小延迟实时对话的能力。i t u t 在h 2 8 1 建议基础上进行了改 进，于1 9 9 5 年提出了h 2 6 3 建议“甚低码率通信的视频编码”。 i 2 2m p b g - - i 标准 m p e g - i 制定于1 9 9 2 年，可适用于不同带宽的设备，如c d _ r 叫、v i d e o c d 。 它的目的是把2 2 1 m b i t s 的n t s c 图像压缩到1 2 m b i t s ，压缩率为2 0 0 ：1 。 这是图像压缩的工业认可标准。它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制为 - 5 上海大学研究生毕业论文 频压缩编码经过四十多年，尤其是最近二十多年的发展，有些技术己十分成熟， 其中以离散余弦变换( o c t ) 为代表的一类算法得到了广泛的应用和认可，并被 采纳为国际标准。压缩方式很大程度上决定着图像的质量、压缩比、传输效率、 传输速度等性能。随着多媒体技术的发展，相继推出了许多压缩编码标准，目前 主要有：j p e g e g2 0 0 0 、h 2 5 1 h 2 6 3 和m p e g 系列等标准。上述标准中， 除了 p e g2 0 0 0 是采用小波变换外，其它都是采用d c t 变换，这是因为d c t 变 换可以使图像的大部分能量集中到直流和低频部分，这对于图像编码非常重要， 而且d c t 变换还有易于硬件并行实现的优点。 1 9 8 0 年以来，国际标准化组织( i $ 0 ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联 盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 陆续完成了各种数据压缩与通 信的标准和建议，如面向静止图像压缩的c c i t tt 8 1 及i s o1 0 9 1 8 ( p e g ) 标准， 在运动图像方面用于视频会议的c c i t th 2 6 1 ( p x 6 4 ) 标准、用于可视电话的 c c i t th 2 6 3 标准、用于v c d 的i s o l l l 7 2 ( m p e g - i ) 及用于广播电视和d v d 的 i s o i e c1 3 8 1 8 ( m p e g 一2 ) 标准以及适用于低传输速率b i p e g 一4 和定义多媒体信息 标准的m p e g 一7 。下面就这些标准做一些简单介绍。 i 2 ih 2 6 1 建议 c c i t t ( 即后来的i t u ) 第1 5 研究组于1 9 8 4 年成立了“可视电话专家组”， 经过3 年的研究，提出了视频编解码器的h 2 6 1 建议草案，1 9 9 0 年7 月通过了 该建议。h 2 6 1 是用于会议电视的国际标准，既采用了帧内编码，又采用了帧 间编码，因此它的压缩比大致是j p e g 的三倍。h 2 6 1 标准用于音像业务的码率 是p 6 4 k b p s ( p = l ，2 ，3 0 ) 。用于电视电话时p - i 或2 ，用于电视会议时p 6 。 这种标准具有最小延迟实时对话的能力。i t u - t 在h 2 6 1 建议基础上进行了改 进，于1 9 9 5 年提出了h 2 6 3 建议“甚低码率通信的视频编码”。 i 2 2i e e g - i 标准 , m p e g 一1 制定于1 9 9 2 年，可适用于不同带宽的设备，如c dr o m 、v i d e o c d 。 它的目的是把2 2 1 m b i t s 的n t s c 图像压缩到1 2 m b i t s ，压缩率为2 0 0 ：1 。 这是图像压缩的工业认可标准。它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制为 这是图像压缩的工业认可标准。它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制为 一5 一 上海大学研究生毕业论文 频压缩编码经过四十多年，尤其是最近二十多年的发展，有些技术己十分成熟， 其中以离散余弦变换( d c t ) 为代表的一类算法得到了广泛的应用和认可，并被 采纳为国际标准。压缩方式很大程度上决定着图像的质量、压缩比、传输效率、 传输速度等性能。随着多媒体技术的发展，相继推出了许多压缩编码标准，目前 主要有：j p e g e g2 0 0 0 、h 2 6 1 h 2 6 3 和m p e g 系列等标准。上述标准中， 除了3 p e g2 0 0 0 是采用小波变换外，其它都是采用d c t 变换，这是因为d c t 变 换可以使图像的大部分能量集中到直流和低频部分，这对于图像编码非常重要， 而且d c t 变换还有易于硬件并行实现的优点。 1 9 8 0 年以来，国际标准化组织( 1 8 0 ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联 盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 陆续完成了各种数据压缩与通 信的标准和建议，如面向静止图像压缩的c c i t tt 8 1 及i s o1 0 9 1 8 ( j p e g ) 标准， 在运动图像方面用于视频会议的c c i t th 2 6 1 ( p x 6 4 ) 标准、用于可视电话的 c c i t th 2 6 3 标准、用于v c d 的i s 0 1 1 1 7 2 ( m p e g 一1 ) 及用于广播电视和d v d 的 i s o i e c1 3 8 1 8 ( m p e g 一2 ) 标准以及适用于低传输速率m p e g 一4 和定义多媒体信息 标准的m p e g - 7 。下面就这些标准做一些简单介绍。 1 2 1h 2 6 1 建议 c c i t t ( 即后来的i t u ) 第1 5 研究组于1 9 8 4 年成立了“可视电话专家组”， 经过3 年的研究，提出了视频编解码器的h 2 6 1 建议草案，1 9 9 0 年7 月通过了 该建议。h 2 6 1 是用于会议电视的国际标准，既采用了帧内编码，又采用了帧 间编码，因此它的压缩比大致是j p e g 的三倍。h 2 6 1 标准用于音像业务的码率 是p 6 4 k b p s ( p = l ，2 ，3 0 ) 。用于电视电话时p = l 或2 ，用于电视会议时p 6 。 这种标准具有最小延迟实时对话的能力。i t u t 在h 2 8 1 建议基础上进行了改 进，于1 9 9 5 年提出了h 2 6 3 建议“甚低码率通信的视频编码”。 i 2 2m p b g - - i 标准 m p e g - i 制定于1 9 9 2 年，可适用于不同带宽的设备，如c d _ r 叫、v i d e o c d 。 它的目的是把2 2 1 m b i t s 的n t s c 图像压缩到1 2 m b i t s ，压缩率为2 0 0 ：1 。 这是图像压缩的工业认可标准。它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制为 - 5 上海大学研究生毕业论文 3 5 2 2 4 0 ；对于p a l 制为3 5 2x2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为1 5 m b i t s s ， 每秒播放3 0 帧，具有c d 音质，质量级别基本与v h s ( 广播级录像带) 相当。 m p e g - 1 的编码速率最高可达4 - - 8 m b i t s s 。应用m p e g l 技术最成功的产品非 v c d 莫属了，v c d 作为价格低廉的影像播放和存储设备，得到广泛的应用和普及。 m p e g l 也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路( a d s l ) ， 视频点播( v o d ) ，以及教育网络等。 1 2 3 肝e ( 广2 标准 m p e g 一2 【6 】【7 】制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高 的传输率。m p e 6 - - 2 所能提供的传输率在1 5 粕一i o o m b s 间，在n t s c 制式下 的分辨率可达7 2 0 4 8 6 。m p e g 一2 能够提供广播级的视像和c d 级的音质。m p e g 一2 的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个可选的低频增强声道 ( l f e ) 。m p e g 一2 的另一特点是，可提供一个较广范围的可变压缩比，以适应不 同的画面质量、存储容量以及带宽的要求。归e g 一2 技术就是实现d v d 的标准 技术，现在d v d 播放器也开始在家庭中普及起来了。除了作为d v d 的指定标准 外，m p e g 一2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级 的数字视频。m p e g 一2 是视频和音频信号数据压缩标准m o e g - i 的扩展，直接面 向高数据率的广播格式，提供了有效的隔行视频信号编码算法，支持宽范围的 比特率。 1 2 4m p e 6 - 4 标准 m p e g 一4 专家组成立于1 9 9 3 年。在1 9 9 5 年3 月的f l o r e n c e 会议上初步定义 了一个音频验证模型，并于1 9 9 6 年1 月在m u n i c h 会议上定义了第一个视频验证 模型( v e r i f i c a t i o nm o d e l ，v m ) ，它提供了支持基于内容的视频表达环境。在 j l l u n i c h 会议上曾公开征集有关综合数据编码技术，即适用于自然和合成数据的 视频信息的编码技术。m p e 6 4 专家组自1 9 9 3 年7 月开展工作以来，每隔3 个月 召开一次大会，总结前3 个月的进展，部署下一阶段的工作。在两次大会期间， 各个工作组( a d h o c 工作组) 还分别开展工作，有时也举行组内会议。会议后，会 议文件将放在帅e g 专用的f t p 站点上，只有m p e g 成员才有权限访问。会议期间 6 上海大学研究生毕业论文 将有部分文件公开发布。m p e g - 4 的另一进展体现在验证模型( ) 上，描述了 编码和解码方法，主要用于软件模拟，以优化编解码的性能。1 9 9 7 年7 月的会议 后发布了v m8 0 。m p e g 征集到的技术建议经评估后，如认为可行，就会将其加到 v m 中。m p e g 一4 具有开放的编码系统，可以随时加入新的有效算法，为多媒体数 据提供了更为广阔的平台，它定义一种格式、一种框架，而不是具体的算法。 另外，m p e g - - 7 g ( i s o i e c1 5 9 3 8 ) 一般称为多媒体内容描述接口，侧重 于媒体数据的信息编码表达，是一套可用于描述多种类型的多媒体信息的标准。 m p e g 一7 目前己经实现了的应用包括数字图书馆、广播媒体选择、多媒体目录 服务、多媒体编辑、远程教育、医疗服务、电子商务、家庭娱乐等，涉及教育、 新闻工作、旅游、娱乐、地理信息系统、医疗应用商业、建筑等诸多领域。m p e g 2 1 h 主要规定数字节目的网上实时交换协议。船e g 一2 l 标准( i s o i e c 2 1 0 0 ) 的 正式名称是多媒体框架，其制订工作于2 0 0 0 年6 月开始。m p e g - - 2 1 的重点是 为从多媒体内容发布到消费所涉及的所有标准建立一个基础体系，支持连接全 球网络的各种设备透明地访问各种多媒体资源。通过数字项的定义，i p e g - - 2 1 集成了m p e g 系列的其它标准，因此m p e g - - 2 1 是建立在其它标准的基础之上的， 它的出台可以将现有的标准统一起来，使消费者能自由使用音视频内容而不被 的格式、编解码器、媒体数据类型之类的东西所干扰。 1 3 本文课题研究的意义、国内外研究情况及作者所完成的工作 i 3 1 本文课题研究的意义 随着微电子技术的发展，使用超大规模集成电路( v l s i ) 来制造图像编解码 芯片已成为热门话题，从而促进了数字图像处理技术在更多领域中的广泛应用。 但推广数字图像应用的最大的困难是直接表达数字图像需要巨大的数据量：存储 时占有容量大，在传输时占用信道宽。为了减少数据存储容量、降低传输带宽、 缩短传输时间，数字图像的压缩编码就显得特别重要。目前的图像压缩标准， 如j p e g 、h 26i 建议、m p e g i 、i i f p e g 一2 及最新的h 263 建议，其视频编解 码均采用基于d c t i d c t 变换+ 运动补偿预测+ v l c 编码的算法 9 1 。 由于一幅图像中相邻像素有很高的相关性，因此可以采用数字信号处理技 1 上海大学研究生毕业论文 术将图像信号进行压缩。典型的图像变换算法有离散余弦变换、小波变换等。 在数字图像信号处理中应用最广泛的就是离散余弦变换，它在目前被认为是进 行图像数据压缩的最佳方法。当要恢复原始图像信息时，就需要将压缩编码后 的信息进行离散余弦逆变换( i d c t ) 。因此，i d c ? 是视频解码的关键技术之一。 i d c t 是图像解码过程中计算量最大的部分，采用一种快速有效的i d c t 实现方 法对图像的解码尤为重要。在一些高速或实时场合，能否快速实现i d c t 变换就 成为关键技术。 1 3 2 国内外研究情况 自n a h m e d 1 0 1 、t n a t a r a j a n 和k r r a o 于1 9 7 4 年提出离散余弦变换概念 以来，这种正交变换在图像处理、数据压缩等领域获得了广泛的应用。国内外很 多高校和研究机构对d c t i d c t 的算法进行了研究，提出了许多简化算法和结构。 他们多采用流水线结构、增加线宽等方法来加快处理速度。国内的不少高校也有 较多的研究，如上海交大图像通信研究所，对i d c t 的硬件实现做了专门的技术 报道，报道中就i d c t 的几个关键问题做了分析和对策。当为i d c t 实现选择算 法时，主要考虑因素有：乘法运算量、内在精度、结构的规则性等。在集成电路 实现时乘法占用较大芯片面积，因此很多被提出的i d c t 实现方法都强调减少乘 法器数量。尽管如此，有时为了获得所需求的吞吐量，仍然需要较多乘法器。另 外，一些算法虽然有较少的乘法运算量，但实现起来会导致不规则结构以及复杂 的布线，这样可能要求较大的芯片面积和较长的设计时间。 目前，有两种比较常用的i d c t 算法；行列可分离的间接算法和使用多项式 变换的直接算法。 l 、行列可分离的间接算法： 行列分离的i d c t 算法，运算规律强，复杂度不高，经过精心设计后，在大 规模集成电路( v l s l ) 中实现i d c t 可以达到较高的性能。因此，现在绝大多数 i d c t 芯片都应用行列分离算法。 由于二维d c t i d c t 的正交可分解性，d c t 和i d c t 变换核是可分离的，所以 二维i d c t 变换可以分解成两次一维变换来实现。可以通过对输入的矩阵先做一 维行变换，然后再做一维列变换来实现。即将nxn 数据按行( 或列) 方向进 8 上海大学研究生毕业论文 行n 个l di d c t 计算。产生中间矩阵，然后对中间矩阵再按列( 或行) 方向进 行n 个2 一di d c t 计算，最后得到2 一di d c t 结果。因此，在考虑算法时，只需 考虑l di d c t 的快速算法。 2 、使用多项式变换的直接算法： 由于间接算法的运算量要远远大于直接算法，所以直接算法也得到了比较多 的应用。 但实际上，直接算法过于复杂，并不适合于大规模集成电路的应用。因此， 低运算复杂度的特性更有吸引力。最近，低运算复杂度和规律性成为2 一di d c t 结构的主要研究方向。本文对行列可分离算法进行了深入研究。 目前，2 d - i d c t 主要采用w h c h e n 的快速算法，此算法的核心思想是把 2 d i d c t 变为i d i d c t ，算法结构是行列分解，同时把8 8 的矩阵变化为4 x 4 的矩阵进行处理。在算法的乘法器设计上主要有两种设计方法：l 、硬连线乘法 器：2 、基于分布式( d i s t r i b u t e da r i t h m e t i c ，d a ) 的查表式算法【1 1 】【1 2 】。总 的说来，基本都能实现i d c t 的实时处理功能。在此基础上我们应该找出一种速 度快、又容易用硬件实现的算法，利用w h c h e n 的快速算法结合改进的d a 算 法，提出规则的结构和模块化的思想，适合于v l s i 电路实现的方法以达到 h d t vm p h l 的要求，这就是我所要做的课题。 1 3 3 论文的主要内容和作者所完成的工作 本文先简要介绍了视频压缩编码的标准，并在此基础上重点阐述了视频压 缩编解码的原理和压缩方法。再对视频压缩编码中关键模块离散余弦逆变换算 法进行了深入分析，提出了基于分布式算法的离散余弦逆变换算法模型，并用 现场可编程门阵列f p o a 实现了离散余弦逆变换的硬件结构，经过功能验证后， 用e d a 软件综合、布局布线，最终完成离散余弦逆变换的a s i c ( a p p l i c a f i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计。 本文作者参与了m p e g - 2 视频解码器系统方案的论证和设计，并着重负责 离散余弦逆变换模块的硬件实现方案的设计。 论文章节安排如下： 第一章先简要介绍了视频压缩编解码的意义和基本的视频压缩方法，重点 - 9 上海大学研究生毕业论文 提到本文要研究的离散余弦逆交换，接下来简单介绍了目前现有的几个重要视 频编码标准，最后介绍了课题的研究意义和国内外研究现状以及作者的主要工 作。 第二章介绍了离散余弦逆交换算法原理，详细介绍了基于行列交换的离散 余弦逆变换间接算法。 第三章介绍了分布式算法的原理，然后详细介绍了基于分布式算法的离散余 弦逆变换原理，以及采用其算法的w a l l a c e t r e e 加法器的并行结构，最后给出 了1 d i d c t 的结构框图。 第四章主要介绍了离散余弦逆变换的误差分析，讨论了离散余弦逆变换误差 产生的原因以及解决的方法，并对有限字长进行了仿真。 第五章介绍了如何用f p g a 开发板验证离散余弦逆变换的功能正确性，具体 包括验证平台的设计、验证策略和具体的验证步骤。 第六章先介绍了用e d a 软件实现离散余弦逆变换芯片的具体流程，再在第 五章的基础上，采用标准单元对离散余弦逆变换模块进行逻辑综合和自动布局 布线，实现各个子模块的电路结构及其版图结构，最终完成离散余弦逆变换的 a s i c 设计。 第七章论文总结与展望。 1 0 上海大学研究生毕业论文 第二章离散余弦逆变换分析 2 1 离散余弦逆交换简介 离散余弦逆变换d c t 对具有g a u s e m a r k e r 一1 统计特性的信号有近似最优的 去相关性的能力，是变换编码中最有效的变换。虽然离散余弦逆变换在压缩效 率略逊于具有最好压缩能力的k - l 1 3 1 1 4 1 变化，但其结构简单，非常适合硬件实 现。研究表明，直接设计的d c t 快速算法将具有更高的效率。因此离散余弦逆 变换在数字信号处理的许多领域得到了广泛的应用，特别是语音和图像的数据 压缩中。应用的需要激发了人们对d c t 快速算法的研究。 在各种一维d c t ( 1 d d c t ) 快速算法不断提出的同时，为了适应多维信号 处理的需要，二维及多维d c t 算法的研究也受到了人们的广泛重视。k a m m a n g a r 和r a o 提出了一种将二维d c t ( 2 d - d c t ) 转化为一维变化的算法：n a s r a b a d i 和 k i n g 、v e t t e r l i 采用类似一维的方法，提出将二维d c t 转化为二维d f t 的实现 算法：c h o 等通过输入输出下标映射的方法，将n n 二维d c t 用n 个n 点 维d c t 实现，乘法复杂性降低到行列法计算的一半：h u a n g 和w u 用类似的方法 给出另一种将n n 二维d c t 用n 个n 点一维d c t 实现的算法。 除了上面所述的各种d c t 算法，还有多种将d c t 转换为其它变换进行计算 的方法。d u h a m e 和g u i l l e m o t 利用快速多项式变换算法提出了另一种计算二维 d c t 的方法，t a 等提出用快速离散r a d o n 变换实现二维d c t 。 众所周知，1 9 6 5 年c o o l e y - - t u k e y 提出的快速傅立叶变换( f f t ) 算法开 创了数字信号处理( d s p ) 的迅速发展，基本c o o l e y - - t u k e yd f t 算法的各种改 进也导致了数字器件技术的发展，随后的二十多年里，各种d c f 算法不断提出， 如时域抽取( d i t ) 算法，频域抽取( d i f ) 算法、分裂基算法、基于其它变换 ( d h t 、d 砰t 等) 的算法，素因子算法等，这些算法主要是从减少算法的计算复 杂度和简化算法结构着手来提高算法的实现效率。 在各种己经存在的d c t 算法中，大多数都是针对长度为2 的幂的情况，而 在实际应用中，对d c t 长度的要求往往是多样的。当出现要求的变换长度非2 的幂时，通常要采用数据加长的方法，先将被变换数据长度增加到某个2 的幂， 上海大学研究生毕业论文 然后再利用已有算法进行变换，这样处理虽然可以利用现有算法实现变换，但 是，由于数据长度的加长，无疑增加了计算量，从而降低了实现效率：另一方 面，由于数据的加长，必然使得变换产生边沿失真，虽然提出了一些克服( 减 小) 失真的方法，但这种失真是固有的。如果直接使用数据长度的快速d c t 算 法，那么，将可以从更本上消除边缘失真。 2 d d c t 是种可分离变换，因此，利用1 d d c t 快速算法，对二维分别 进行变换即可实现2 d d c t ，这种方法称为行列分解法，由于其结构简单而被 广泛采用。但是，行列法完全没有考虑二维情况下两个维之间的关系，因此所 需要的运算量相对比较大。根据实际图像处理中太多采用分块变换的特点，对 小尺寸d c t ( 如8 8 ) 的需求最大，而实际系统中也是这部分占用处理时间 最长( 一个基于d c t 的图像编码、解码系统，如果采用行列法，用于d c t 变换 的时间约占系统中时间的2 3 以上) ，因此在研究各种d c t 快速算法的同时， 为了适应实时信号处理的要求，获得更快的变换速度，人们也在寻找采用硬件 并行处理的d c t 实现方案。 2 2 离散余弦逆变换基本原理 2 2 1 二维离故余弦逆变换算法描述 对于给定的输入块x ( m ，n ) 0 - - m ，小，n ) ，二维离散余弦逆变换及其逆变换可 以表示为【1 5 】： z ( k = 知m 芝赫川xc o s n = o m = o 芝笋c o s 堕半v 9 ，) _ 寺a ( 七) 口( ，) x ( m ) 警c o s 警 y二v ，1 、 x ( m ，n ) ：i 2n - 1 。n 7 - i 口( _ | ) 口“) z 哪) 。c o s 塑型堕c o s 竺盟型 棚2 丙乙k = o 己1 = 0 卿唧，7 鼍产0 0 8 垡葛严 ( 2 ：) v二v上v r 00 、 上式中，k 、l 、m 、n 的范围是。到n 1 ，。o 2 毖，当0 日把u ) = l 。正向 和逆向变换仅仅是从空间域映射到变换域，或者反过来。为了计算d c t 或i d c t ， 式( 2 i ) 和( 2 2 ) 的直接实现分别要求n 4 次乘法。幸运的是，d c t i d c