随着信息科学与技术的发展,人们对视频信息的需求不断增长,各种不同的视频产品也快速进入到娱乐、办公和安全等领域中。在需求的推动下,数字视频编解码、处理和传输技术得到了快速的发展。作为当前主流的视频编码标准之一,H.264/AVC在压缩效率、图像质量和网络适应性等方面都取得了显著的提高。当前H.264/AVC标准在各种视频应用领域中占有主导地位。科技推动着面板技术的发展,高分辨率和超高分辨率的面板广泛应用在电视、手机、平板电脑上。高分辨率面板需要高分辨率的视频源,这给视频编解码器带来了挑战。由于H.264/AVC在压缩率、图像质量以及网络应用上的优点,H.264/AVC越来越被广泛地应用在各种领域中,基于H.264/AVC的超高清视频编解码器一直是当前的研究热点。对于一个H.264/AVC帧内编码器,由于其帧内预测和熵编码算法上的数据相关性,实现上很难用直接增加硬件的方法来提高编码器所能支持的最高视频分辨率,帧内预测和熵编码这两部分都可以成为编码器的瓶颈。本文针对在超高清帧内视频编码器中限制帧内预测和熵编码速度的难点,对算法进行改进,并提出一些硬件上的复用方法来减少硬件代价。综合结果表明,该设计能够达到超高清视频实时编码的结果,与之前的设计相比有更高的设计效率,能在较低的频率下实现全高清视频实时编码。本文的主要工作包括：(1)提出了一个以宏块为最小处理单元的四级流水线的帧内编码器架构,这个架构充分考虑了帧内视频编码的特点,同时兼顾实际应用中输入和输出该架构针对帧内预测和熵编码两级流水线的所需时钟数进行了仔细的设计考虑,使得编码器各级流水线所需时钟数更加均衡。(2)帧内预测中亮度4x4子块预测中存在的复杂数据相关性,本文采用了4x4子块扫描顺序重排列和模式顺序重排列相结合的方法来缩短亮度4x4子块预测路径；针对亮度16x16和色度8x8预测的4种模式的共同特性,本文提出了一些方法来减少硬件代价,并在提出了一个复用的架构来实现两者功能。(3)本文对重建路径的变换及量化部分作了速度上的优化,以达到高吞吐率的要求。采用了蝶形快速算法来实现DCT/IDCT;对于量化、反量化,采用了常数乘法器来代替普通乘法器的方法来提高整个系统的工作频率(4)熵编码部分产生的码流是比特相关的,本文提出一个两级流水线架构的CAVLC编码器,使得扫描级和编码级可以并行进行。其中扫描级每一个时钟可以扫描2个待编码系数。编码级为了配合扫描级,对Level和Run_before的编码进行了特殊处理,编码级每个时钟可以同时编码两个Level和Run_before。本文设计了一个精细的比特流拼接器来拼接编码级8个时钟中产生的不同码字。编码级和扫描级都能够在8个时钟完成,这种结构极大地提高了熵编码的编码效率。(5)本文把帧内编码器作为一个IP,设计IP的输入和输出部分。输入部分实现原始像素输入,输出部分实现编码后的压缩比特流的输出。在完成H.264/AVC帧内编码器硬件结构设计以后,采用EDA工具对设计进行了初步的功能仿真,并采用Design Complier进行了设计综合。同现有的一些帧内编码器相比,本设计具有更高的设计效率,且支持4Kx2K的超高清分辨率的实时编码。