引言

運(yùn)動估計是視頻壓縮的關(guān)鍵，能進(jìn)一步減小圖像的冗余度，提高編碼壓縮效率。運(yùn)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)動估計)、1/4像素精度運(yùn)動補(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，計算量也大大增加。實驗結(jié)果表明，運(yùn)動估計占H.264編碼器的60%~80%的時間。H.264中的運(yùn)動估計由整數(shù)運(yùn)動估計和分?jǐn)?shù)運(yùn)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(yùn)動精度都是任意小的，所以引入分?jǐn)?shù)運(yùn)動估計能非常準(zhǔn)確地描述對象的運(yùn)動軌跡，能更進(jìn)一步去除視頻圖像序列的時間冗余，其精度達(dá)到了1/8像素精度。分像素的運(yùn)動矢量如圖1所示。

圖1 分像素運(yùn)動矢量

一般在實際應(yīng)用中，運(yùn)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(yùn)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(yùn)動矢量，接著在該半像素精度最佳匹配點周圍進(jìn)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(yùn)動矢量。由于分像素運(yùn)動估計運(yùn)算量大，很多學(xué)者對分像素運(yùn)動估計從算法上進(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)動估計的硬件實現(xiàn)方法。在整像素運(yùn)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(yùn)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(yùn)動矢量來表示。H.264對亮度成分和色度成分進(jìn)行亞像素搜索時，兩者之間的運(yùn)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。如圖2所示，大寫字母代表整像素點，小寫字母代表1/2像素點。

圖2  亮度半像素內(nèi)插

假定點H是在整像素運(yùn)動估計中找到的最佳匹配點，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)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(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。半像素點(如b、h、m)通過對相應(yīng)整像素點進(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3所示。

圖3 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(yùn)動矢量，也同樣通過整像素點線性內(nèi)插得出，如圖4所示。

圖4 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)

在本設(shè)計中，F(xiàn)ME搜索采用的是如圖5所示的菱形全搜索方法。

圖5 菱形全搜索