H.264編碼器中亞像素運動(dòng)估計的硬件實(shí)現

引言

　 運動(dòng)估計就是在幀間預測時(shí)設法找到當前幀的像素(或圖像塊)是從上一幀圖像的什么位置移動(dòng)過(guò)來(lái)的，以該位置上的像素(或圖像塊)作為預測依據，以此提高預測的準確性。由于H.264中的運動(dòng)估計采用了一系列新技術(shù)，如七種塊尺寸(將一個(gè)宏塊分割成16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4七種類(lèi)型的子塊進(jìn)行運動(dòng)估計)、1/4像素精度運動(dòng)補償技術(shù)和多參考幀技術(shù)等，在使壓縮效率至少提高兩倍的同時(shí)，計算量也大大增加。實(shí)驗結果表明，運動(dòng)估計占H.264編碼器的60%~80%的時(shí)間。H.264中的運動(dòng)估計由整數運動(dòng)估計和分數運動(dòng)估計兩部分組成。由于不論是自然視頻圖像序列或是合成視頻圖像序列，實(shí)際對象的運動(dòng)精度都是任意小的，所以引入分數運動(dòng)估計能非常準確地描述對象的運動(dòng)軌跡，能更進(jìn)一步去除視頻圖像序列的時(shí)間冗余，其精度達到了1/8像素精度。分像素的運動(dòng)矢量如圖1所示。

　　圖1 分像素運動(dòng)矢量

　　一般在實(shí)際應用中，運動(dòng)估計普遍采用分級搜索算法：首先在搜索區內找到最佳整像素運動(dòng)矢量，再在整像素最佳匹配點(diǎn)下尋找最佳1/2匹配點(diǎn)，得到半像素精度的運動(dòng)矢量，接著(zhù)在該半像素精度最佳匹配點(diǎn)周?chē)M(jìn)行1/4像素點(diǎn)搜索，得到1/4像素精度最佳匹配點(diǎn)以及相應的運動(dòng)矢量。由于分像素運動(dòng)估計運算量大，很多學(xué)者對分像素運動(dòng)估計從算法上進(jìn)行優(yōu)化，提出了很多快速搜索算法，減少搜索點(diǎn)數目以達到降低運算復雜度的目的。本文就是基于這個(gè)目的，在塊匹配算法的基礎上，提出了一種1/4像素精度的亞像素運動(dòng)估計的硬件實(shí)現方法。在整像素運動(dòng)估計的基礎上用10×10整像素陣列實(shí)現半像素精度和1/4像素精度的最佳匹配點(diǎn)搜索，在空間上具有更高的并行度，硬件實(shí)現簡(jiǎn)潔有效。

　　FME的運動(dòng)矢量

　　幀間編碼宏塊中的每個(gè)塊或亞宏塊分割區域都是根據參考幀中同尺寸的區域預測得到的，它們之間的關(guān)系用運動(dòng)矢量來(lái)表示。H.264對亮度成分和色度成分進(jìn)行亞像素搜索時(shí)，兩者之間的運動(dòng)矢量是有差異的，對亮度成分采用1/4像素精度，色度成分采用1/8像素精度。

　　假定點(diǎn)H是在整像素運動(dòng)估計中找到的最佳匹配點(diǎn)，在此基礎上再進(jìn)行1/2像素點(diǎn)的搜索，如點(diǎn)(bb，aa等)，如果MV的垂直和水平分量為整數，參考塊相應像素實(shí)際存在;如果其中一個(gè)或兩個(gè)為分數，則參考塊相應的亮度和色度像素并不存在，需利用鄰近已編碼點(diǎn)進(jìn)行內插而得。

　　內插像素生成的步驟如下：

　　首先生成參考圖象亮度成分的半像素點(diǎn)。半像素點(diǎn)(如b、h、m)通過(guò)對相應整像素點(diǎn)進(jìn)行6抽頭濾波得出，權重為(1/32、-5/32、5/8、5/8、-5/32、1/32)。b通過(guò)下式計算得出：

　　b=round((E-5F=20G+20H-5I+J)/32) (1)

　　類(lèi)似的，h由A、C、G、M、R、T濾波得出。一旦鄰近(垂直或水平方向)整像素點(diǎn)的所有像素都計算出來(lái)，剩余的半像素點(diǎn)便可通過(guò)對6個(gè)垂直或水平方向的半像素點(diǎn)濾波得到。例如，j由cc、dd、h、m、ee、ff濾波得出。

　　半像素點(diǎn)計算出來(lái)后，在此基礎上，1/4像素點(diǎn)可通過(guò)線(xiàn)性?xún)炔宓贸?，如圖2所示。

　　圖2 亮度1/4像素內插

　　1/4像素點(diǎn)(如a、c、i、k、d、f、n、q)由鄰近像素內插而得，如

　　a=round((G+b)/2) (2)

　　剩余1/4像素點(diǎn)(p，r)由一對對角半像素點(diǎn)線(xiàn)性?xún)炔宓贸?，如e由b和h獲得。相應地，對于色度成分的1/8像素精度的運動(dòng)矢量，也同樣通過(guò)整像素點(diǎn)線(xiàn)性?xún)炔宓贸?，如圖3所示。

　　圖3 色度1/8像素內插

　　其中：

　　a=round([(8-dx)(8-dy)A+dx(8-dy)B+(8-dx)dyC+dx dyD]/64) (3)

　　FME模塊算法原理及硬件實(shí)現