AVS I帧视频编码器的FPGA实时实现

2. 实现该功能的状态转移图如下：

　　Idle为空闲状态，streceive状态完成数据接收(当前8x8块64个数据，33个边界参考数据)，当接受完数据后状态机进入stcalculate状态，将相邻的三个数进行低通滤波((a+2b+c+2)>>2)，而后进入stm4状态，保存各个模式下的预测数据，预测完成后进入stcompare状态，比较各种模式下的代价值，并且选出最佳预测模式。sttrans为输出最佳模式和预测数据的过程。

　　仿真结果如图所示：

　　datain为输入的宏块数据，datain_edge为宏块边界数据，dataout为输出的预测数据。

　　综合后资源占用如下图所示：

　　3.2 RDQIIR模块

　　功能描述

　　本设计中将残差—DCT变换—量化—反量化—逆DCT变换—重构(简称为RDQIIR模块)作为一个整体实现。残差数据经DCT变换、量化后，数据送到熵编码模块;同时将量化后的数据再进行反量化和反DCT，得到8x8子宏块的重构数据，重构的数据反馈给帧内预测模块，进行下一个8x8子宏块的预测。

　　2.整个模块由一个状态机实现，状态转移图如下所示：

　stidle为复位时的空闲状态，等待使能信号有效。streceive是数据接收状态，当使能信号有效时接收8*8块的残差数据。stread、stline和stdefer状态时，读取8*8块的一行数据，进行DCT水平变换，并将变换后的数据存入ram中。stread1、stvertical和stdefer1状态读取8*8块的一列数据，进行DCT垂直变换，并将变换后数据存入ram。stread2、stquant和stdefer2状态开始对数据量化，量化后的数据通过dataout信号输出。stread3、stvertical1和stdefer3状态对数据进行反DCT垂直变换的状态。sttransmit状态下输出量化后的数据。

　　仿真结果如下图所示：

　　图3-9中是xAVS算法中某一8×8子块的重构数据，图3-10是在ModelSim SE 6.2b环境下RDQIIR模块的仿真结果，重构数据从端口dina_sun_top_o输出。二者结果完全一致，说明RDQIIR模块符合算法要求。

　　综合后资源占用如下图所示：

　　3.3 熵编码模块

　　1. 功能描述

　　熵编码主要分为zig-zag扫描、游程编码、码字计算、码表切换、指数哥伦布编码和码流输出共6个子模块。整个熵编码部分需要3块RAM，2块ROM存储器。RAM1接收量化系数矩阵，经zig-zag扫描后的(run，level)对存储在RAM2中，RAM3暂存指数哥伦布编码后数据;ROM1用于存放优化后的码表，ROM2用于存放逃逸事件中用到的RefAbsLevel_T。

　　stidle表示状态机处于空闲状态。streceive状态按照zig_zag扫描顺序接收8×8块亮度系数。strle完成游程编码得到( run , level )对。sttable状态利用run和level联合查表得到码字，并完成指数哥伦布编码。ststream对码字进行整理并输出。

　对一个8×8子宏块熵编码进行验证，图3-14内存1中自地址0x00E90068起存放的是由参考软件xAVS编码得到的码流，图3-15 ModelSim SE 6.2b仿真得到的码流由端口dataout输出。经过比较，二者输出结果一致，说明本设计功能符合标准算法要求。

　　　通过输入不同的量化系数矩阵观察仿真波形，输出的码流信息与AVS参考软件输出的结果一致。经仿真验证，本设计正确且资源利用效率高。时钟最高频率达到130MHz，可用于高分辨率实时AVS编码器中。

　　第四节 综合验证

　　本设计使用VHDL 硬件描述语言进行实现，Xilinx ISE 进行综合，Modelsim仿真，器件选用Xilinx 公司的xc2vp30-6ff896，最高工作频率110MHZ 情况下，使用的资源如下图所示。

　　利用编解码软件截取一个宏块的数据作为参考数据输入，使用ISE综合，Modelsim进行仿真， 对一个宏块的验证如下图所示：

　　datain_mb为输入的一个宏块数据， datain_u5_top_o的输出是一个宏块编码后的码流。从图中数据可以看出，输出结果一致，说明本设计符合编码器标准要求。

　　CIF分辨率，4:2:0图像格式，若达到25帧/s实时图像播放的要求，100MHz的频率下，处理一个宏块所需要的周期限定在N==10101内，本设计在100MHz的频率下，用Modelsim仿真一个宏块的周期大约为7000，完全满足实时要求。

　　第五节 展望

　　本设计实现了AVS全I帧的编码器，CIF分辨率，4:2:0图像格式下能达到实时处理的要求。进一步的工作可以对程序优化，提高处理速度，同时还可以加入P帧和B帧的编码，从而进一步提高编码效率。