H.264/AVC是由国际电信联合会的视频专家组和国际标准化组织的运动图像专家组组成的联合视频小组制定的下一代视频压缩标准。新标准采用了一些先进算法，因此具有优异的压缩性能和极好的网络亲和性，满足低码率情况下的高质量视频的传输。 H.264/AVC采用的先进算法包括多模式帧间预测、1/4像素精度预测、整数变换量化、去方块滤波和熵编码。本论文着重对整数变换与量化、去方块滤波做了研究。整数变换是一种只有加法和移位的运算，量化可以通过查表和乘法操作就可以完成，避免了反变换的时候失配问题，没有精度损失；去方块滤波是一种用来去除低码率情况下的每个宏块的块效应，提高了解码图像的外观。 本文主要从算法研究和硬件实现两方面着手，在算法研究方面设计了一个可视化测试软件，在硬件实现方面主要对整数变换、量化和去方块滤波做了研究和实现。视频压缩技术的关键在于视频压缩算法及其芯片的实现，FPGA可重复使用，设计修改灵活，片内资源丰富，具备DSP模块等优势。在本论文的目标实现部分模块FPGA的硬件设计，用Verilog完成了关键部分的设计。首先简要介绍了视频压缩基本原理，常用视频压缩标准及其特性以及国内外的研究动态，并对H.264标准基本档次所涉及的核心技术进行了详细介绍，两种分层结构分别讨论。其次在掌握了H.264.算法及编解码流程的基础上，设计了基于H.264编解码的可视化软件平台。然后详细介绍了整数变换、量化、反变换和反量化核心模块的设计和实现，并在Altera的软件和开发板上进行了仿真验证；对去方块滤波算法做了软件研究测试，并给出了一种改进的硬件整体结构设计。最后，对全文工作进行了总结和对未来研究工作做了展望。我在课题中所做的主要工作有： 1.查阅相关文献，熟悉H.264.标准及整数变换、量化和去方块滤波等算法。 2.用VC++完成了基于H.264编解码的可视化软件平台设计。 3.用Verilog完成了整数变换量化、反变换反量化模块FPGA设计与验证。 4.去方块滤波器的算法研究、仿真和硬件整体结构设计。
上传时间： 2013-04-24
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随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高，视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于 FPGA 的SOPC技术、H．264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统，在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势，具有重要的学术意义与实用意义， 本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios Ⅱ为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像，采用H．264 编码算法进行压缩，并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问，接收编码数据，使用H．264解码算法重建图像并实时显示，使监控人员有效地掌握现场情况， 在嵌入式图像服务器设计阶段，本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统，采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios Ⅱ架构的SOPC系统，阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计，采用μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理与调度， H．264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H．264．标准，规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法，并设计宏块扫描方式，采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式，编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案，针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法，实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式，并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证，并进行测试，观察不同参数下压缩率与失真度的变化。 算法验证完成后，本文进行了PC机客户端设计，使其具有远程访问、H．264解码与实时显示的功能。同时将H．264 编码算法程序移植到NiosⅡ中，并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试，构建完整的网络视频监控系统， 实验结果表明，本系统视频压缩率高，监控图像质量良好，充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点，发展前景十分广阔。
上传时间： 2013-04-24
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离散余弦变换(DCT)及其反变换(IDCT)在图像编解码方面应用十分广泛，至今已被JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H.26x等国际标准所采用。由于其计算量较大，软件实现往往难以满足实时处理的要求，因而在很多实际应用中需要采用硬件设计的DCT/IDCT处理电路来满足我们对处理速度的要求。本文所研究的内容就是针对图像处理应用的8×8二维DCT/IDCT处理核的硬件实现。 本文首先介绍了DCT和IDCT在图像处理中的作用和原理，详细说明了DCT变换实现图像压缩的过程，并与其它变换比较说明了用DCT变换实现图像压缩的优势。接着，分析研究了DCT的各种快速算法，总结了前人对DCT快速算法及其实现所做的研究。本文给出了两种性能、资源上有一定差异的二维DCT/IDCT的FPGA设计方案。两种方案均利用DCT的行列分离特性，采用流水线设计技术，将二维DCT/IDCT实现转化为两个一维DCT/IDCT实现。在一维DCT/IDCT设计中，根据图像处理的特点对Loeffler算法的数据流进行了优化，通过合理安排时钟周期数和简化各周期内的操作，大大缩短了关键路径的执行时间，从而提高了流水线的执行速度。最后，对所设计的DCT/IDCT处理核进行了综合和时序仿真。 结果表明，当使用Altera公司的MERCURY系列FPGA器件时，本文设计的方案一能够在116M时钟频率下正确完成8×8的二维DCT或IDCT的逻辑运算，消耗2827个逻辑单元；方案二能够在74M时钟频率下正常工作，消耗1629个逻辑单元。
上传时间： 2013-07-14
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当前，在系统级互连设计中高速串行I/O技术迅速取代传统的并行I/O技术正成为业界趋势。人们已经意识到串行I/O“潮流”是不可避免的，因为在高于1Gbps的速度下，并行I/O方案已经达到了物理极限，不能再提供可靠和经济的信号同步方法。基于串行I/O的设计带来许多传统并行方法所无法提供的优点，包括：更少的器件引脚、更低的电路板空间要求、减少印刷电路板（PCB）层数、PCB布局布线更容易、接头更小、EMI更少，而且抵抗噪声的能力也更好。高速串行I/O技术正被越来越广泛地应用于各种系统设计中，包括PC、消费电子、海量存储、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。迄今业界已经发展出了多种串行系统接口标准，如PCI Express、串行RapidIO、InfiniBand、千兆以太网、10G以太网XAUI、串行ATA等等。 Aurora协议是为私有上层协议或标准上层协议提供透明接口的串行互连协议，它允许任何数据分组通过Aurora协议封装并在芯片间、电路板间甚至机箱间传输。Aurora链路层协议在物理层采用千兆位串行技术，每物理通道的传输波特率可从622Mbps扩展到3.125Gbps。Aurora还可将1至16个物理通道绑定在一起形成一个虚拟链路。16个通道绑定而成的虚拟链路可提供50Gbps的传输波特率和最大40Gbps的全双工数据传输速率。Aurora可优化支持范围广泛的应用，如太位级路由器和交换机、远程接入交换机、HDTV广播系统、分布式服务器和存储子系统等需要极高数据传输速率的应用。 传统的标准背板如VME总线和CompactPCI总线都是采用并行总线方式。然而对带宽需求的不断增加使新兴的高速串行总线背板正在逐渐取代传统的并行总线背板。现在，高速串行背板速率普遍从622Mbps到3.125Gbps，甚至超过10Gbps。AdvancedTCA（先进电信计算架构）正是在这种背景下作为新一代的标准背板平台被提出并得到快速的发展。它由PCI工业计算机制造商协会（PICMG）开发，其主要目的是定义一种开放的通信和计算架构，使它们能被方便而迅速地集成，满足高性能系统业务的要求。ATCA作为标准串行总线结构，支持高速互联、不同背板拓扑、高信号密度、标准机械与电气特性、足够步线长度等特性，满足当前和未来高系统带宽的要求。 采用FPGA设计高速串行接口将为设计带来巨大的灵活性和可扩展能力。Xilinx Virtex-IIPro系列FPGA芯片内置了最多24个RocketIO收发器，提供从622Mbps到3.125Gbps的数据速率并支持所有新兴的高速串行I/O接口标准。结合其强大的逻辑处理能力、丰富的IP核心支持和内置PowerPC处理器，为企业从并行连接向串行连接的过渡提供了一个理想的连接平台。 本文论述了采用Xilinx Virtex-IIPro FPGA设计传输速率为2.5Gbps的高速串行背板接口，该背板接口完全符合PICMG3.0规范。本文对串行高速通道技术的发展背景、现状及应用进行了简要的介绍和分析，详细分析了所涉及到的主要技术包括线路编解码、控制字符、逗点检测、扰码、时钟校正、通道绑定、预加重等。同时对AdvancedTCA规范以及Aurora链路层协议进行了分析， 并在此基础上给出了FPGA的设计方法。最后介绍了基于Virtex-IIPro FPGA的ATCA接口板和MultiBERT设计工具，可在标准ATCA机框内完成单通道速率为2.5Gbps的全网格互联。
上传时间： 2013-05-29
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本论文将在对MPEG-4解码中的几种关键技术的充分理解和算法分析的基础之上，结合FPGA的灵活性，采用VHDL语言对几种关键技术在应用层面上进行结构设计并仿真验证。 本文讨论了一种高吞吐量流水方式构建的MPEG-4可变长解码器的设计。在这种解码器中，我们采用了基于PLA的并行 解码算法，这种算法能够实现每个时钟解码一个码字。同时，为了提高解码的效率，降低操作的延迟，我们在设计中还引入了流水线操作方式、码表分割等技术，这些技术有利于并行操作的实现。 本论文的设计充分利用IDCT算法对称性，用高度的并行结构来加速处理，采用一维IDCT单元复用的方式来实现二维IDCT运算，并提出一种基于加法操作的结构来取代乘法操作，实现了一种高效二维逆DCT变换处理器。
上传时间： 2013-06-02
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现代信息技术的迅猛发展和人们生活质量的提高，使得视频处理方面的研究与应用，尤其是实时图像处理受到了广泛关注。近年来，DSP技术的不断发展，将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中，并推动了新理论和应用的发展，对视频处理等领域的技术发展起到了十分重要的作用。同时，随着网络、移动通讯和多媒体技术的飞速发展，嵌入式系统也得到更加广泛的应用。 本文分析了嵌入式系统、DSP技术、以及视频处理系统等领域的最近发展现状，结合本实验室在嵌入式开发、H.264.图像编解码、DSP技术三个方面的研究成果和实际开发经验，提出了采用TIC6000系列的TMS320DM642和ARM(S3C2410)为主体的硬件系统架构，设计了一种基于ARM+DSP的嵌入式视频处理系统。该系统将专门用于视频图像处理的DSP与在通讯和实时控制方面具有独特优势的ARM处理器结合起来，为嵌入式实时环境下一些复杂算法的实现问题开辟了新的途径。 文中首先介绍了系统的相关技术及标准，包括控制端用到的ARM技术和处理端的DSP技术及核心处理算法H.264编码原理，给出了系统的整体架构及设计思路。整个系统分控制端和处理端以及两者之间的通信三个部分，控制端主要由一个最小系统、LCD及触摸屏和矩阵键盘构成，在ARM上移植了Linux操作系统，并在其上编写了外设驱动。处理端包括视频输入、输出模块、存储模块、网络传输模块，移植了基于基本档次的T264代码到DM642中，并进行了优化，完成了视频信号的采集和回显程序的编写，并将采集、处理、回显三个进程加入到BIOS中，实现了处理端的功能。两者通信采用HPI16模式的通信方式。最后，就系统的性能进行了测试，给出了测试效果图，并对结果进行了详细分析。 在文章的最后，总结了课题研究所取得的成果及其不足之处；给出了系统进一步研究和改进的思路。嵌入式是未来发展的主流，随着本系统的进一步完善，必将具有更加广阔的应用前景。
上传时间： 2013-04-24
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遥感图像是深空探测和近地观测所得数据的重要载体，在军事和社会经济生活领域发挥着重要作用。由于遥感图像数据量巨大，它的存储和传输已成为遥感信息应用中的关键问题。图像压缩编码技术能降低图像冗余度，从而减小图像的存储容量和传输带宽，它的研究对于遥感图像应用具有重要的现实意义。CCSDS图像压缩算法是空间数据系统咨询委员会(CCSDS)提出的图像数据压缩算法。该算法复杂度较低，并行性好，适合于硬件实现，能实现对空间数据的实时处理，从而广泛应用于深空探测和近地观测。对于直接关系到军事战略、经济建设等方面的遥感图像的传输，必须对它进行加密处理。AES加密算法是由美国国家标准和技术研究所(NIST)于2000年发布的数据加密标准，它不但能抵抗各种攻击，保证加密数据的安全性，而且易于软件和硬件实现。本论文对CCSDS图像压缩算法和AES加密算法进行了研究，完成的主要工作包括： (1)研究了CCSDS图像压缩算法的原理和结构，用C语言实现了算法的编解码器，并与SPIHT算法和JPEG2000算法的性能进行了比较。 (2)研究了AES加密算法的原理和结构，用C语言实现了算法的加解密器。 (3)介绍了实现CCSDS图像压缩算法和AES加密算法的FPGA设计所选择的软件开发工具、开发语言和硬件开发平台。 (4)给出了CCSDS编码器的FPGA实现方法和实现性能。 (5)给出了AES加密器的FPGA实现方法和实现性能。 本文设计的CCSDS图像压缩和AES加密FPGA系统运用了流水线设计、高速内存设计、模块并行化设计和模块串行化设计等技术，在系统速度和资源面积上取得了较好的平衡，达到了预期的设计目的。
上传时间： 2013-07-15
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数字电视技术和超大规模深亚微米的系统级芯片设计技术是当前信息产业中最受关注的两个方向。它们的交叉就是数字电视应用中的一系列系统级芯片和超深亚微米专用集成电路。其中信道处理系统及其相关芯片更是集中了数字信号处理前向纠错编解码等数字电视传输的核心技术，成为设计和开发整个数字电视系统的关键之一。数字高清晰度电视(Digital HDTV)做为第三代电视标准，已成为当今世界高技术竞争的焦点，本文正是从这个交叉点上出发对DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld)标准中所涉及的信道编码和调制部分进行了研究，重点分析了信道内编码部分的硬件优化实现。本项目完成了DVB-H传输系统信道编码的FPGA硬件设计和实现，系统所有FPGA硬件电路设计采用了Veillog HDL语言编写。同时对清华大学数字电视地面传输标准DMB-T(Terrestrial Digital Multimedia/TV Broadcasting)中的关键技术做了研究，与DVB标准中的相关技术做了对比。 本文首先对DVB．H以及COFDM的相关理论进行介绍和研究。然后针对DVB-H信道编码调制器中的部分核心算法的FPGA设计和实现进行了详细的研究工作，包括外编码、内编码(卷积删余)、内交织(包括比特交织和符号交织)、星座映射、帧形成、OFDM调制的部分设计等。相应地对DVB-H信道解码解调器中的部分算法的FPGA设计的研究工作做了描述，包括符号解交织和比特解交织。同时对清华大学数字电视地面传输标准DMB-T外接收机中频域和时域解交织模块的FPGA设计实现做了描述。 笔者在项目中完成的主要工作有： (1)与项目组成员合作制定系统框架，划分模块。 (2)对所负责的模块，包括外编码、内编码(卷积删余)、内交织(包括比特交织和符号交织)、星座映射、帧形成、OFDM调制的算法进行研究并加以优化，建立软件仿真模型，进行FPGA设计，仿真和实现。
上传时间： 2013-06-10
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随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高，视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于 FPGA 的SOPC技术、H．264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统，在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势，具有重要的学术意义与实用意义， 本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios Ⅱ为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像，采用H．264 编码算法进行压缩，并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问，接收编码数据，使用H．264解码算法重建图像并实时显示，使监控人员有效地掌握现场情况， 在嵌入式图像服务器设计阶段，本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统，采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios Ⅱ架构的SOPC系统，阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计，采用μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理与调度， H．264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H．264．标准，规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法，并设计宏块扫描方式，采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式，编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案，针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法，实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式，并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证，并进行测试，观察不同参数下压缩率与失真度的变化。 算法验证完成后，本文进行了PC机客户端设计，使其具有远程访问、H．264解码与实时显示的功能。同时将H．264 编码算法程序移植到NiosⅡ中，并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试，构建完整的网络视频监控系统， 实验结果表明，本系统视频压缩率高，监控图像质量良好，充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点，发展前景十分广阔。
上传时间： 2013-08-03
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ASIC对产品成本和灵活性有一定的要求.基于MCU方式的ASIC具有较高的灵活性和较低的成本,然而抗干扰性和可靠性相对较低,运算速度也受到限制.常规ASIC的硬件具有速度优势和较高的可靠性及抗干扰能力,然而不是灵活性较差,就是成本较高.与传统硬件(CHW)相比,具有一定可配置特性的场可编程门阵列(FPGA)的出现,使建立在可再配置硬件基础上的进化硬件(EHW)成为智能硬件电路设计的一种新方法.作为进化算法和可编程器件技术相结合的产物,可重构FPGA的研究属于EHW的研究范畴,是研究EHW的一种具体的实现方法.论文认为面向分类的专用类可重构FPGA(ASR-FPGA)的研究,可使可重构电路粒度划分的针对性更强、设计更易实现.论文研究的可重构FPGA的BCH通讯纠错码进化电路是一类ASR-FPGA电路的具体方法,具有一定的实用价值.论文所做的工作主要包括:(1)BCH编译码电路的设计——求取实验用BCH码的生成多项式和校验多项式及其相应的矩阵并构造实验用BCH码;(2)建立基于可重构FPGA的基核——构造具有可重构特性的硬件功能单元,以此作为可重构BCH码电路的设计基础;(3)构造实现可重构BCH纠错码电路的方法——建立可重构纠错码硬件电路算法并进行实验验证;(4)在可重构纠错码电路基础上,构造进化硬件控制功能块的结构,完成各进化RLA控制模块的验证和实现.课题是将可重构BCH码的编译码电路的实现作为一类ASR-FPGA的研究目标,主要成果是根据可编程逻辑电路的特点,选择一种可编程树的电路模型,并将它作为可重构FPGA电路的基核T;通过对循环BCH纠错码的构造原理和电路结构的研究,将基核模型扩展为能满足纠错码电路需要的纠错码基本功能单元T;以T作为再划分的基本单元,对FPGA进行"格式化",使T规则排列在FPGA上,通过对T的控制端的不同配置来实现纠错码的各个功能单元;在可重构基核的基础上提出了纠错码重构电路的嵌套式GA理论模型,将嵌套式GA的染色体串作为进化硬件描述语言,通过转换为相应的VHDL语言描述以实现硬件电路;采用RLA模型的有限状态机FSM方式实现了可重构纠错码电路的EHW的各个控制功能块.在实验方面,利用Xilinx FPGA开发系统中的VHDL语言和电路图相结合的设计方法建立了循环纠错码基核单元的可重构模型,进行循环纠错BCH码的电路和功能仿真,在Xilinx公司的Virtex600E芯片进行了FPGA实现.课题在研究模型上选取的是比较基本的BCH纠错码电路,立足于解决基于可重构FPGA核的设计的基本问题.课题的研究成果及其总结的一套ASR-FPGA进化硬件电路的设计方法对实际的进化硬件设计具有一定的实际指导意义,提出的基于专用类基核FPGA电路结构的研究方法为新型进化硬件的器件结构的设计也可提供一种借鉴.
上传时间： 2013-07-01
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