H.264編碼器中亞像素運動估計的硬件實現(xiàn)

引言

　 運動估計就是在幀間預(yù)測時設(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過來的，以該位置上的像素(或圖像塊)作為預(yù)測依據(jù)，以此提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。由于H.264中的運動估計采用了一系列新技術(shù)，如七種塊尺寸(將一個宏塊分割成16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4七種類型的子塊進行運動估計)、1/4像素精度運動補償技術(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，計算量也大大增加。實驗結(jié)果表明，運動估計占H.264編碼器的60%~80%的時間。H.264中的運動估計由整數(shù)運動估計和分?jǐn)?shù)運動估計兩部分組成。由于不論是自然視頻圖像序列或是合成視頻圖像序列，實際對象的運動精度都是任意小的，所以引入分?jǐn)?shù)運動估計能非常準(zhǔn)確地描述對象的運動軌跡，能更進一步去除視頻圖像序列的時間冗余，其精度達到了1/8像素精度。分像素的運動矢量如圖1所示。

　　圖1 分像素運動矢量

　　一般在實際應(yīng)用中，運動估計普遍采用分級搜索算法：首先在搜索區(qū)內(nèi)找到最佳整像素運動矢量，再在整像素最佳匹配點下尋找最佳1/2匹配點，得到半像素精度的運動矢量，接著在該半像素精度最佳匹配點周圍進行1/4像素點搜索，得到1/4像素精度最佳匹配點以及相應(yīng)的運動矢量。由于分像素運動估計運算量大，很多學(xué)者對分像素運動估計從算法上進行優(yōu)化，提出了很多快速搜索算法，減少搜索點數(shù)目以達到降低運算復(fù)雜度的目的。本文就是基于這個目的，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動估計的硬件實現(xiàn)方法。在整像素運動估計的基礎(chǔ)上用10×10整像素陣列實現(xiàn)半像素精度和1/4像素精度的最佳匹配點搜索，在空間上具有更高的并行度，硬件實現(xiàn)簡潔有效。

　　FME的運動矢量

　　幀間編碼宏塊中的每個塊或亞宏塊分割區(qū)域都是根據(jù)參考幀中同尺寸的區(qū)域預(yù)測得到的，它們之間的關(guān)系用運動矢量來表示。H.264對亮度成分和色度成分進行亞像素搜索時，兩者之間的運動矢量是有差異的，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H是在整像素運動估計中找到的最佳匹配點，在此基礎(chǔ)上再進行1/2像素點的搜索，如點(bb，aa等)，如果MV的垂直和水平分量為整數(shù)，參考塊相應(yīng)像素實際存在;如果其中一個或兩個為分?jǐn)?shù)，則參考塊相應(yīng)的亮度和色度像素并不存在，需利用鄰近已編碼點進行內(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。半像素點(如b、h、m)通過對相應(yīng)整像素點進行6抽頭濾波得出，權(quán)重為(1/32、-5/32、5/8、5/8、-5/32、1/32)。b通過下式計算得出：

　　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)整像素點的所有像素都計算出來，剩余的半像素點便可通過對6個垂直或水平方向的半像素點濾波得到。例如，j由cc、dd、h、m、ee、ff濾波得出。

　　半像素點計算出來后，在此基礎(chǔ)上，1/4像素點可通過線性內(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(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(p，r)由一對對角半像素點線性內(nèi)插得出，如e由b和h獲得。相應(yīng)地，對于色度成分的1/8像素精度的運動矢量，也同樣通過整像素點線性內(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現(xiàn)