基于FPGA的运动估计设计

2012-07-05 00:06:41来源: 现代电子技术 关键字:视频编码  FPGA  运动估计  三步搜索法  VHDL
   

摘要:利用功能强大的FPGA实现视频图像的一种运动估计设计,采用的搜索方法是三步搜索法。在进行方案设计时,本文采用了技术比较成熟的VHDL语言进行设计,并使用Quartus II软件进行时序仿真。由仿真结果可知,无论是在功能的实现上还是在搜索的准确性、高效性以及FPGA片上资源的利用率上,本设计方案都具有明显的优越性。
关键词:视频编码;FPGA;运动估计;三步搜索法;VHDL

    人类获取的信息中70%来自于视觉。视频信息具有直观性、确切性和高效性等优点,其在多媒体信息中占有重要地位,成为了主导现代生活的主力军。然而,视频信息信息量太大,对信息存储设备及通信网络均提出了很高要求,严重阻碍了人们对有效信息的获取和使用。而解决这个问题的途径就是视频编码即视频压缩。
    目前,视频编码的主控制芯片主要有3种:ASIC、FPGA和DSP。ASIC和PGA属于硬件设计,DSP属于软件设计。从功能上说,全定制ASIC(Applieation Speeifie IntegratedCircuit)的功耗低、设计密度大并且能够完成高速设计,但同时其开发周期很长,投片成本很高而且不容易对解决方案进行优化,应用范围很窄;DSp(Digital Signal Proeessing)可以提供强大的数字信号处理能力,其可编程特色可以支持各种标准格式的视频编解码算法,但其处理速度低、硬件结构不灵活;FPGA(Field Programmable Gato Airay)兼有了两者的一些优点如可编程、功耗低等,同时又具有设计周期短、开发成本低、处理速度快、设计灵活等特点。

1 运动估计原理
    运动估计主要是针对帧间预测,去除视频帧在空间域和时间域的冗余度。块匹配方法是目前编码效率较高,普遍采用的一种编码方法。首先,其要将当前帧进行划分。长期实践表明,将当前帧划分为多个16x16的块是比较合理的。其次,要根据划分出的当前块的具体情况,以及所采用的搜索方法来决定搜索窗口的大小。最后,要在所确定的搜索窗口里面,依据某种块匹配准则找到当前块的匹配块以及由匹配块到
当前块的运动矢量。图1所示是块匹配法的原理框图,其中的箭头就是由参考帧到当前帧的运动矢量。

d.JPG


    目前经常采用的块匹配准则主要有归一化互相关函数(NCCF),最小均方差(MSE)以及最小绝对值(MAD)。其中由于SAD准则在算法上并不需要做任何的乘法运算,可以减少很多的时间资源和硬件资源,从而使得SAD准则成为了现在通常使用的匹配准则。
    c.JPG
    其中A是参考帧中的搜索窗口区域,k-1和fk分别是当前帧和参考帧中的像素点值,(x0,y0)是块中的其中一个点。

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关键字:视频编码  FPGA  运动估计  三步搜索法  VHDL

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2012/0705/article_3036.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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