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MPEG-2是标准清晰度数字电视和高清晰度数字电视的图像编码标准。自从1994年标准推出至今,以MPEG-2为标准的各种应用迅速进入人们的日常生活中,使人们深刻感受到它的存在,深刻影响着数字视频的发展。作为最成功的运动图像压缩标准之一,它也对后来的图像压缩标准影响很大,成为后续标准的一个理论基础,对于初次认识视频数字处理的人来说,MPEG-2是个很好的研究对象。MPEG-2中的视频编码器是该标准的关键环节,本文正是致力于MPEG-2视频编码器中各个部件结构设计的研究。
本文首先介绍了数字视频和编码标准等基础背景知识,详细论述了MPEG-2标准的内容。对MPEG-2的实现视频压缩的原理从时间、空间和统计特性三个方面详细进行了说明,并在此基础上研究了其中的关键算法实现：基于二维查找表DCT变换的实现,MPEG-2量化器的设计研究和逆量化器的原理,Z字扫描和游程编码、变字长编码的实现研究。最后对基于并行结构的运动估计算法的硬件设计进行了初步探讨,并提出了对算法改进的思考。
二维DCT变换是MPEG-2编码其中运算量极大的部件,本文建立查找表,基于此来实现二维DCT变换,避免了相对比较耗资源和速度的乘法运算,用一些必要的加法运算和并行处理的思想,大大提高了DCT变换的运算速度。而Z字型扫描、熵编码和量化器也是在查表的算法思想基础上研究其实现方法。
为了能实现这些算法思想,本文拟构建从A/D视频信号解码到FPGA编码模块的一整套系统,将模拟视频信号输入的输出转换为MPEG-2编码的视频流输出。A/D解码模块以TI公司的TVP5150为核心,完成模拟视频信号的解码和产生标准化视频的工作。FPGA模块暂时由Altera公司DEI实验板替代,利用Cyclone Ⅱ FPGA芯片和板上丰富的RAM资源,实现本文所论述的模块算法思想。本文各模块之间同步等工作还未完成,将来需要重新设计FPGA模块,配合存储和传输策略,最终实现符合MPEG-2标准的视频流数据的输出。