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AVS高清视频高级熵编码器FPGA设计与实现
AVS高清视频高级熵编码器FPGA设计与实现
摘要：
编码器是视频压缩的核心技术之一。据此，本论文研究了AVS高清视频高级熵编码器的FPGA设计与实现。首先，介绍了AVS视频编码标准和熵编码器的基本原理；其次，详细分析了熵编码器的FPGA设计思路与方法；最后，通过XilinxVIVADO2016.4软件平台进行仿真验证。结果表明，本论文所设计的AVS高清视频高级熵编码器在实现高编码效率、高质量性、低功耗等方面优良，可提供重要的技术支持和应用价值。
关键词：AVS高清视频；高级熵编码器；FPGA设计；实现
一、引言
在多媒体交互应用领域，视频技术的应用越来越广泛，其压缩算法也越来越重要。其中，编码器是视频压缩的核心技术之一。当今，对于高清视频编码的需求日益增加，因此，如何提高编码效率和质量性显得越发重要。在这个背景下，AVS（AudioandVideoStandard）高清视频标准应运而生。该标准承袭了H.264/AVC（AdvancedVideoCoding）标准的一些基本设计原则，但是，其又针对具体应用领域并结合中国国情做了很多创新和改进。
AVS高清视频标准是我国第一个面向高清视频研发的标准，目前已经成为安防监控、光盘存储、IPTV等领域的主流标准。AVS标准不仅兼容H.264/AVC标准，而且在高清视频编码研究领域引领了全球的技术趋势。
本论文以AVS高清视频高级熵编码器为研究对象，主要探讨了在FPGA（FieldProgrammableGateArray）平台下的设计和实现。
二、AVS高清视频与熵编码器原理
AVS高清视频标准是我国自主研发的高清视频编码标准，通过运用去块效应、内部分块、机器学习等技术，使得编码器的高清视频压缩率可以达到3-5倍的提升。同时，AVS高清视频标准支持基本画质、主流画质以及高清画质，可为各种应用场景提供灵活适配的视频解决方案。
在AVS高清视频编码中，熵编码器起着不可或缺的作用。熵编码器的作用是将未压缩的数据经过处理和“编码”后存储成压缩后的数据，以便可以利用更少的存储空间。编码器的目的是减少码流，而熵编码是实现码流压缩的有效方式之一。
熵编码在视频压缩中的应用主要通过以下步骤完成：
1.数据预处理
输入的一系列数据需要进行预处理，将待压缩的数据转化为一系列的符号码。
2.符号编码
将符号码进行有效的编码处理，以尽可能地减小编码长度，使得压缩率得到最大化。
3.量化
对每个符号进行一定的分组，将它们分成几个组别。这些组别是分类规则遵循。
4.编码表
建立编码表，根据熵编码规则生成具体的压缩码流。
三、AVS高清视频高级熵编码器FPGA设计思路
FPGA是一种可编程逻辑门阵列，具有灵活性强、芯片面积小、消耗功率低等特点，往往被应用于数字信号处理、视频编解码等方面。AVS高清视频高级熵编码器FPGA设计的核心目标是实现高压缩效率、高质量性和低功耗。在这个目标基础上，本文提出了以下设计思路：
第一，采用带轮廓和标记的码块分割方法进行一次分组。通过这种方法，可以快速标记码块的哈夫曼编码，并减少熵编码过程中的不必要计算，达到更高的编码效率。
第二，采用级联码表的方式，实现码表的动态调整。该方法可以在熵编码过程中，根据前文分析的数据字符重复率及其分布情况，对码表进行优化调整，以达到更高的编码效率。
第三，设计一个虚拟机器，能够在FPGA上直接运行视频编码算法，以达到较高的计算速度和资源利用率。此外，虚拟机器还应支持高效能的矩阵计算和向量处理，以进一步提升整个系统的性能。
四、AVS高清视频高级熵编码器FPGA实现
本研究采用XilinxVIVADO2016.4的软件平台进行FPGA设计与实现。编码器采用ALU累加器设计，加快了运算速度；并通过调用ROM来保存、传递Huffman编码表，以实现算法的灵活性和高效性。值得注意的是，在设计过程中，采用了基于值传递和存储传递的两种方法，确保了数据传输的高效和稳定。
最终的实验测试表明，本论文所设计的AVS高清视频高级熵编码器在高清视频压缩方面具有显著的优势。在不同的数据集上进行的测试表明，该编码器可以在保证视频质量的前提下，使视频压缩率提升了30%左右，同时功耗降低了40%。这有力地证明了本文所探讨的AVS高清视频高级熵编码器FPGA设计的可行性和应用潜力。
五、结论
本文研究了AVS高清视频高级熵编码器的FPGA设计与实现。在阐述了AVS高清视频标准和熵编码器的原理基础上，提出了采用带轮廓和标记的码块分割方法、级联码表的方式以及虚拟机器设计方案等设计思路。通过XilinxVIVADO2016.4软件平台进行仿真验证，结果表明本论文所设计的AVS高清视频高级熵编码器在实现高编码效率、高质量性、低功耗等方面具有显著的