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杭州电子科技大学
硕士学位论文
多标准离散余弦变换算法及VLSI体系研究与实现
姓名:朱竹青
申请学位级别:硕士
专业:电路与系统
指导教师:郭裕顺;秦兴
20091101
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
离散余弦变换 DCT(Discrete Cosine Transform)是一种正交变换,广泛应用
于视频、图像处理技术中,包括当前的主流图像视频编码标准 JPEG、MPEG-4、
、AV S 等。目前对于支持单个标准的 DCT 算法已经很成熟,但是对于支持
多个标准的 DCT 算法还比较少,特别是能同时支持以上四个标准的 DCT 算法。
本论文主要研究内容包括以下几个方面:
首先,重点研究了各个标准编码器的 DCT 算法以及相关的缩放量化的工作
原理。在研究了各种 DCT 算法的优缺点基础上,从面积,速度,和精度等方面
探索了 DCT 复用的 VLSI 结构。
本文对 里面的 2×2 哈达玛、4×4 哈达玛、4×4DCT、8×8DCT 进行
复用,节省了面积。通过引入整数变换矩阵和增加缩放模块,设计了复用 JPEG、
MPEG-4 和 的 DCT 结构。算法经过 Xvid MPEG-4 编解码器验证,精度满
足要求。对缩放模块提出 2 种方案,并对缩放模块进行优化,优化了面积和频率。
通过设计基于矩阵分解法和基于 结构两种结构,实现了 和 AV S
的 8×8DCT 的复用,节省了大量的面积。对于一维 8×8DCT 算法,前者所耗加
法器个数为 42 个,后者为 36 个,后者比单独实现 AV S 的参考代码中的一维 DCT
算法更节省。
在上面的基础上,提出能使用与这 4 种标准的通用 DCT 算法结构,并进行
了优化设计。针对 JPEG、MPEG-4 和 AV S 共用的缩放一模块进行了优化设计,
提出复用 8 个乘法器方案,和复用 66 个加法器方案,优化了面积和频率。针对
这 4 个标准的共用的缩放二量化结合模块进行了设计,节省了面积。
其次,完成了多标准离散余弦变换的硬件实现,主要包括,控制模块,
FDCT1/FDCT2 模块,转置模块,缩放一模块,缩放二量化结合模块的设计实现。
针对转置模块,在保证吞吐量和速度的基础上,减小了流水深度,并优化了面积。
在缩放一模块的乘法器方案和缩放二量化结合模块中,优化了补码乘法器,减小
了面积,并提高了频率。
最后,完成了多标准 DCT 的 PC 仿真和 FPGA 原型验证。并且完成了 PC 自
动验证平台和 FPGA 自动验证平台的搭建。

关键词:多标准图像和视频编码,离散余弦变换,FPGA,IP 核
I
杭州电子科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
Discrete cosine transform DCT which is an orthogonal transformation is widely
used in video and image processing technology, including the current mainstream
image and video coding standards adopted the DCT transform, such as
JPEG,MPEG-4,,AVS,etc. The DCT algorithm structure for supporting a single
standard is very mature at present. But there are few algorithms which support
multiple, especially those support the above four standards.
The main research content of this paper is stated as follows.
Firstly, study the DCT algorithm and related scaling and quantization principle of
the above four standards. After researching on the merit and demerit of several DCT
algorithms, the reusable DCT VLSI architecture is researched from the aspect of chip