H.264編碼器中亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

引言

運(yùn)動(dòng)估計(jì)就是在幀間預(yù)測(cè)時(shí)設(shè)法找到當(dāng)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(yù)測(cè)依據(jù)，以此提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。由于H.264中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)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、4×4七種類型的子塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì))、1/4像素精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(jì)算量也大大增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)估計(jì)占H.264編碼器的60%~80%的時(shí)間。H.264中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)由整數(shù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和分?jǐn)?shù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(duì)象的運(yùn)動(dòng)精度都是任意小的，所以引入分?jǐn)?shù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)能非常準(zhǔn)確地描述對(duì)象的運(yùn)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(dá)到了1/8像素精度。分像素的運(yùn)動(dòng)矢量如圖1所示。

圖1 分像素運(yùn)動(dòng)矢量

一般在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)普遍采用分級(jí)搜索算法：首先在搜索區(qū)內(nèi)找到最佳整像素運(yùn)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(yùn)動(dòng)矢量，接著在該半像素精度最佳匹配點(diǎn)周圍進(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(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。由于分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)算量大，很多學(xué)者對(duì)分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(shù)目以達(dá)到降低運(yùn)算復(fù)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(chǔ)上，提出了一種1/4像素精度的亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。在整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)的基礎(chǔ)上用10×10整像素陣列實(shí)現(xiàn)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(xiàn)簡(jiǎn)潔有效。

FME的運(yùn)動(dòng)矢量

幀間編碼宏塊中的每個(gè)塊或亞宏塊分割區(qū)域都是根據(jù)參考幀中同尺寸的區(qū)域預(yù)測(cè)得到的，它們之間的關(guān)系用運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)表示。H.264對(duì)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(yùn)動(dòng)矢量是有差異的，對(duì)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(yùn)動(dòng)估計(jì)中找到的最佳匹配點(diǎn)，在此基礎(chǔ)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(shù)，參考?jí)K相應(yīng)像素實(shí)際存在;如果其中一個(gè)或兩個(gè)為分?jǐn)?shù)，則參考?jí)K相應(yīng)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(nèi)插而得。

內(nèi)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(duì)相應(yīng)整像素點(diǎn)進(jìn)行6抽頭濾波得出，權(quán)重為(1/32、-5/32、5/8、5/8、-5/32、1/32)。b通過(guò)下式計(jì)算得出：

b=round((E-5F=20G+20H-5I+J)/32) (1)

類似的，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(jì)算出來(lái)，剩余的半像素點(diǎn)便可通過(guò)對(duì)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(jì)算出來(lái)后，在此基礎(chǔ)上，1/4像素點(diǎn)可通過(guò)線性內(nèi)插得出，如圖2所示。

圖2 亮度1/4像素內(nèi)插

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

a=round((G+b)/2) (2)

剩余1/4像素點(diǎn)(p，r)由一對(duì)對(duì)角半像素點(diǎn)線性內(nèi)插得出，如e由b和h獲得。相應(yīng)地，對(duì)于色度成分的1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量，也同樣通過(guò)整像素點(diǎn)線性內(nèi)插得出，如圖3所示。

圖3 色度1/8像素內(nèi)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(xiàn)