一种H.264编码芯片帧间预测的硬件设计

要 】文章提 出了一种 Ｈ． ４视频编码芯 片帧 间预 测的硬件 实现 方案 ，重点对整像素预测 （ＭＥ） ２ ６ Ｉ 模块 的架构进行 了
【 摘
设计 ，并对其主要相关的帧 间数据调度模 块 （ｎｅ＿ ｏｆ Ｉｔ ｃｎ ｇ）和预测选择模块 （ Ｓ）进行 了分析。 ｒ ｉ Ｐ 【 关键词 】Ｈ．６ ；运动估计 ；整像素预测 ２４ 【 中图分 类号 】 【 文献标识码 】 【 文章编号】１０ — １１２ １）２ ０ ５ — ２ ０ ８ １５ （０ １ — ０ ８ ０ ０ 在进行 Ｉ Ｅ计算时，首先要计算 Ｍ１，对于一个块象素， Ｍ ｖ ） 预测运算就 是在参考帧中搜索 出最佳 匹配 （ 即两者差异最小） 的 同尺寸块象素作 为当前块的参考 区域 。如果在整 个参考帧
（ ）运 动估计 运算 二
Ｈ ２ ４帧 间预测是利用 已编码视频帧／ ．６ 场和基于块的运动
补偿 的预测模式。由于 引入 了 １４像素精度、多种分割预测 ／
等先进技术 ，在获得更 高压缩 率的同时 ，其算法复杂度 也大 大提高， 使得帧间预测 编码耗 时占到整个编码计算时间的 ５％ ０ 以上 ，若采用全软件实现 高清 图像的实时编解码 ，明显 力不 从心 ，这就要求使用高性 能的硬 件编 解码器来完成 高清实时 编解码任 务，这也是本人研究的主要 内容。 编码宏块 （６ １ １ ｘ６象素） 以分割成 不同大小 的块像数据， 可
２１ ０ １年 第 ２期 （ 总第 １ ８期 ） ３
大 众 科 技
ＤＡ Ｚ ＨＯＮＧ ＫＥＪ
Ｎｏ． ２ １ ２。 ０１
（ ｕ ｌｔ ｅｙＮ ．３ ） Ｃ ｍｕ ｉ ｌ ｏ１ ８ ａｖ
一
种 Ｈ ２ ４编码芯 片帧 间预测 的硬件设计 ． ６
马 磊 杨 欢
（ 东师范大学信 息科 学技 术 学院，上海 ２ ０ ４ ） 华 ０ ２ １
（ ） ＩＥ模块 及功 能 三 Ｍ
ＩＥ模 块 的 架 构 如 下 图所 示 Ｍ
例如 １ ｘ ６ ６ ８ ｘ ６ ｘ 、８ ４ ｘ 、４ ４等七种模 式。 ６ １ 、１ ｘ 、８ １ 、８ ８ ｘ 、４ ８ ｘ
而 “ ”的再对各种宏块分割方式 下的每 个块象素进行预测 她 运算，然后 由后续模块统计和 比较出最优的分割方式 。 运 动估计包括整像素预测 （Ｍ ）和分像素预测 （ 肛 ） ＩＥ Ｉ 两 部 分 ，这 两 部 分 是 串行 的 。每 一 个 宏 块 ， 只有 在 ＩＥ 做 完 Ｍ 之后，找到最佳整像素 Ｍ ，再进行 Ｆ Ｅ ｖ Ｍ。
个新 的数 字视频 编码 标准 ，它 既是 ＩＵ Ｔ 的 Ｈ ２ ４ Ｔ— ． ６ ，又是 ＩＯ ＩＣ的 Ｍ Ｅ 一 Ｓ／Ｅ Ｐ Ｇ ４的第 １ 部 分 。 作 为 新一 代 的视 频 编 码 标 Ｏ 准 ，它具有很 高的数据压缩 比率和优异 的性 能，广泛应 用于 视频会议 、视频点播、高清 视频 、移动播放器等多个领域。 ａ ２ ４最大的优势是具有很高 的数据压缩 比率， 同等图 ．６ 在 像 质 量 的条 件 下 ，Ｈ ２ ４的压 缩 比是 艘 Ｅ 一 ．６ Ｇ ２的 ２倍 以上 ， 是 ＾）Ｇ ４的 １５ 倍 。和 Ｍ Ｅ － Ⅱ 一 Ｅ ． ～２ Ｐ Ｇ ２和 ￣ Ｅ 一 Ｓ Ⅱ Ｇ ４Ａ Ｐ等压缩技术相 ） 比， ． ６ Ｈ ２ ４压缩技术将 大大节省用户 的下载时 间和数据流量收 费。 尤其值得一提的是， ． ６ Ｈ ２４在具有高压缩 比的 同时还拥有 高质量流畅的图像 。 在 Ｈ ２ ４ 的编 码芯 片结构 中，相 比帧 内，帧 间 （ｎｅ ．６ Ｉｔｒ Ｐ ｅ ｉｔ ｏ ） ｒ ｄ ｃ ｉｎ 编码 的效率高 ，但是运算复杂度也比较高。帧间 编码 的核心运 算部分是 “ Ｅ （ｏ ｉｎｅ ｔｍ ｔｏ ） Ｍ ” ｍ ｔ ｏ ｓ ｉ ａ ｉ ｎ 即运动估 计 ，占用最 多的逻辑 与时钟 资源 。帧 间预测 的运动估计 过程 分为整像素运动估计 （Ｍ ）和分像素运动估 计 （ｂ ） ＩＥ Ｆｌ ，首先 Ｅ 找到整像素的最佳 Ｍ ，然后再进行分像素的搜索 。除了巨大 ｖ 的计算复杂度 ，编码过程也很长，包括预测，重构和熵编码。
的 范 围下 进 行 全 面 的搜 索 ， 固然 可 以得 到 最 为 匹配 的 区 域 ， 但是复杂度太大 。事实上，相邻块在参考帧 中的匹配区域一 般位置 比较接近 。综合考虑算法复杂度 ，编码 效果，资源使
（ ）引言 一
Ｈ ２ ４ 是 一种 高性 能 的视 频 编 解 码 技 术 ， 它 是 ＩＵ Ｔ 的 ．６ Ｔ— Ｖ Ｅ 视频编码专家组 ）和 Ｉ ０ Ｉ Ｃ的 Ｍ Ｅ （ Ｃ Ｇ（ Ｓ／Ｅ Ｐ Ｇ 活动 图像编码 专 家 组 ） 的联 合 视 频 组 （ Ｖ ：ｊ ｉ ｔｖ ｄ ｏｔ ａ ）开 发 的 一 Ｊ Ｔ ｏ ｎ ｉ ｅ ｅｍ
Ｄ Ａ Ｃ
Ｂ
Ｅ
图 ２ Ｖ 计算 Ｍ Ｐ ＩＥ在进行 当前宏块 Ｍ Ｘ Ｍ Ｂ（ ）的 Ｍ Ｐ计算的 时候 ，前面的 Ｖ 宏块 Ｍ ｘ １ Ｂ（ － ）包含分像素的 Ｍｒ 、还未得到，这个时候我们无 法得到准确 的 Ａ ，所 以我们此时 以 船 （ 一 ）的 １ｘ ６分割搜 ｘ１ ６１ 索 时所得到 的整像素 Ｍ ｖ来代替 Ａ ，并把据此计算得到的 Ｍ Ｐ Ｖ 作 为搜索的起点 。
用等方面，帧间预测做了如下处理 ：首先根据周边块 的 Ｍ 值 ｖ 预测出当前 块的 Ｍ ｖ值 ，即 Ｍ ｐ ｖ ，然后在 ｌ ｐ所指参考帧中象 ｄ ｖ 素点周边 示 ， 定 Ｅ为 当 前 的 宏 块 、宏块 Ｖ 假 分 割 或 者亚 宏 块 分割 ，除 了 １ｘ ６ ８和 ８ １ ，Ｍ Ｐ为 Ａ 、Ｃ的 ｘ６ Ｖ 、Ｂ Ｍ ｖ的 中值 ； 于 １ ｘ 对 ６ ８分割 ， 上面部分 Ｍ Ｐ由 Ａ预测，下面部 Ｖ 分 Ｍ Ｐ由 Ｂ预测 ；对 于 ８ １ 割 ， 左 面 部分 Ｍ Ｐ由 Ｂ预 测 ， Ｖ ｘ ６分 Ｖ 右面部分 Ｊ， ｃ预测 。以 ＾， ＩＰ由 ｆ 、 ｆ 、 Ｐ作为搜索的起点。