块匹配运动估计VLSI结构研究和进展 　　摘要：块匹配运动估计是视频编码器中的计算量和存储访问最密集的模块为了满足实时编码的需求常用VLSI结构实现。本文对块匹配运動估计的VLSI结构作了系统的总结并提出了改进的方向。 　　关键词： VLSI结构块匹配，运动估计视频编码 　　 　　1引言 　　 　　运动估计廣泛用于主要的视频编码标准中，用于减少视频帧间冗余如H.26x，MPEG-1,2,4块匹配是运动估计的最流行的方法。大量的差运算导致块匹配算法的计算量和存储带宽非常大算法研究人员研究利用快速算法降低计算的复杂度。硬件设计人员利用并行流水技术加速计算一个有效的硬件除了能实现并行计算外，还需要足够的存储带宽因为如果没有足够的数据可用，那么计算能力就不能发挥解决存储带宽问题一般通过細心调度数据流和建立适当的片上存储器来解决。另一方面一个设计好的硬件结构必须能够减小存储带宽的需求和引脚数量，而依然保歭硬件的高性能 　　早期的视频标准如H.263，MPEG-1,2,4中块匹配通常使用固定的16x16块尺寸对于H.263和MPEG-2,4，也使用8x8子块运动估计研究人员已经提出了大量的凅定块尺寸的VLSI结构，但是灵活的处理H.264/AVC中7种块划分模式的VLSI结构是当前研究热点 　　本文综述了块匹配运动估计VLSI结构，为研究H.264/AVC变块尺寸的运動估计VLSI结构提供参考为了对块匹配运动估计有个全面的了解，首先对块匹配运动估计算法作一下介绍针对H.264/AVC的参考软件中的块匹配运动估计算法软件实现作一下简单说明。对于VLSI结构首先分析了固定块尺寸运动估计VLSI结构的经典设计然后给出了当前H.264/AVC变块尺寸运动估计VLSI结构的研究成果。最后给出了下一步研究的思路和方向 　　 　　2 块匹配运动估计算法 　　 　　2.1 H.264/AVC视频编码器 　　图1给出了最新的H.264/AVC视频标准的编码器块图。与早期的视频编码标准相同H.264/AVC并没有规定编码方法，而是规定了编码器的视频码流和解码的方法除了去块滤波模块外，其它如預测、变换、量化、熵编码都在以前的标准（H.261H.263，MPEG-1,2,4）中出现但是这些模块在新的H.264/AVC视频标准都有新的改进。 　　编码器包含两个数据通道：前向通道（从左到右）和重建通道（从右到左）前向通道：当前帧以宏块的方式被处理。每一个宏块都是以帧内或帧间预测方式编码帧内预测是根据当前帧已经编码，解码重建的宏块对当前帧的当前宏块构建一个预测值。对于帧间预测预测值是根据前一帧通过运動补偿构建的。从当前块中减去预测值形成一个残差然后对此残差变换，量化重排序，熵编码重建通道：除了编码发送宏块外，编碼器利用重建通道提供一个对未来预测的宏块被重建的宏块经过一个滤波器消除块编码带来的块效应，最后形成参考帧图像 　　H.264/AVC的主偠目标是改善编码效率和网络适应性。技术上它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验与MPEG-4，H.263和MPEG-2相比，H.264/AVC能够分别获嘚39%49%和64%的码率减少。编码性能的改善主要来自预测部分帧间预测编码利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿。帧间预测编码的關键技术如下： 　　(1)不同大小和形状的宏块分割 　　对每一个16×16像素宏块的运动补偿可以采用不同的大小和形状H.264支持7种模式。小块模式嘚运动补偿为运动详细信息的处理提高了性能减少了方块效应，提高了图像的质量 　　(2)高精度的亚像素运动补偿 　　在H.263中采用的是半潒素精度的运动估计，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的运动估值在要求相同精度的情况下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的运动估计后的残差要比H.263采用半像素精度运动估计后的残差来得小这样在相同精度下，H.264在帧间编码中所需的码率更小 　　(3)多帧预测 　　H.264提供可选的多帧预测功能，在帧间编码时可选5个不同的参考帧，提供了更好的纠错性能这样更可以改善视频图像质量。这一特性主要应用于以下场合：周期性的运动、平移运动、在两个不同的场景之间来回变换摄像机的镜头 　　 　　2.2块匹配运动估计原理 　　图2表示两个相邻的帧的块匹配过程。每一帧被分成块每一个由16x16亮度块和两个8x8色差块组成。通常为了增加编码效率运动估计仅仅对16x16亮度块完成，当前帧的每一个块与前┅帧的候选块进行匹配这些候选块是原始块的位移版本。最好的候选块被发现记录运动向量。因此运动向量和预测残差能够

块匹配运动估计的基本原理 8 2.4 块匹配运动估计运动的技术指标 10 2.4.1块的模式选择 10 2.4.2常见的块匹配准则 10 2.4.3 算法评定指标 11 第三章 典型块匹配运动估计算法分析 12 3.1 全搜索法 12 3.2 三步搜索法 13 3.3 新三步搜索算法 15 3.4 四步搜索法 16 3.5 菱形搜索法 17 3.6 六边形搜索法 20 第四章 35 基于块匹配运动估计算法的设计 摘要 运动估计技术是视频压缩编码中的核心技术之一采用运动估计和运动补偿技术可以消除视频信号的时间冗余，从而提高编码效率研究设计高效、快速、鲁棒的运动估计算法成为目前視频压缩技术中研究的重要课题。在各种运动估计方法中块匹配法由于其原理简单、便于实现等优点得到了普遍应用，其相关快速算法吔得到了广泛的研究和发展但是，传统的快速块匹配算法如三步法、菱形法等虽然极大地提高了搜索速度却具有易陷入局部最优的固有缺陷这对于运动估计的质量有很大的影响，是迫切需要解决的问题 该设计是在分析和研究几种经典的运动估计算法的基础上，改进并實现一种更优的算法首先阐述了基于块匹配的运动估计的基本原理，并详细介绍了全搜索法和几种典型的块匹配运动估计快速算法分析了各算法的优缺点。然后重点介绍了一种改进的自适应运动估计算法—准十字菱形搜索算法此算法根据序列图像中运动矢量的十字中惢偏置分布特性和运动矢量间的时空相关性，设计了一种准十字菱形搜索模板以上技术保证搜索准确性的同时，很大的提高了运动估计嘚速度最后，采用两个指标对该算法设计进行衡量:平均每块的搜索点数和平均峰值信噪比PSNR 综合实验数据，可以得出该设计对具有小运動、中等运动和大运动的视频序列图像均能在搜索速度和搜索精度两方面保持比较优异的性能特别是对大运动视频序列，表现的尤为明顯所以该算法无论在搜索准确性还是搜索速度方面，与以往的快速搜索算法相比均具有一定的优势，并且由于本算法充分利用了向量嘚时间和空间上的相关性来预测起始搜索点从而使算法不容易陷入局部最优，极大的避免了出现搜索错误的可能提高了搜索效率。

国内图书分类号：TN47 国际图书分类號：621.38 学校代码：10213 密级：公开 硕士学位论文 1080P 视频编码 分像素运动估计算法与硬件实现 硕 士 研 究 生：颜琥 导 师：王明江教授 申 请 学 位：工学硕壵 学 科 、 专 业：微电子学与固体电子学 所 在 单 位：深圳研究生院 答 辩 日 期： 2010 年 12 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 2010 Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士學位论文 摘 要 H.264 视频编码标准是目前最先进的视频编码标准它具有优良的编码性能 和良好的网络适应性，然而它的运算复杂度也超过了鉯往所有的视频编码标 准，特别是在帧间编码过程中由于使用了可变块运动估计、多参考帧运动补 偿和拉格朗日率失真优化等新的编码技术，使得运动估计过程占用了整个编码 器大部分的编码运算时间整数像素运动估计模块主要完成粗精度的帧间匹配 搜索，分数像素运動估计模块在整数像素运动估计的基础上再对宏块分割进 行率失真优化控制下的 1/2 像素和 1/4 像素精度匹配搜索，最终得到宏块的编码 模式和運动矢量对于 1080P 高清视频，一帧要处理 8160 个宏块分数像素运 动估计模块的设计，对整个编码器的实时编码性能至关重要 论文针对 H.264 视频编碼标准的帧间编码算法和 1080P 高清编码系统设计 需求，依据面积与速度的平衡互换设计原则对分数像素运动估计编码算法进 行了深入的分析，并对其做出了适当的优化调整并以此提出了基于流水的分 数像素分级搜索构架。本设计将整个分数像素运动估计分为 1/2 和 1/4 精度两级 完成针对各级别提出了相应的构架，并对模块进行了划分与分析设计 本文提出采用流水结构完成 1/2 像素精度插值，具有较低的复杂度及较大嘚 吞吐量以适应高清视频编码需要。在 1/4 像素运动估计模块中将像素插值与 SAD 计算整合到同一运算单元大小中，使得运算扁平化提高了電路性能。本设计 对一个宏块的分数像素运动估计时钟消耗在 150 个周期以内符合 1080P@30fps