專利名稱：視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字視頻處理技術(shù)，特別設(shè)計利用運動估計來壓縮視頻 序列的裝置。
背景技術(shù)：
在視頻壓縮技術(shù)中，運動估計是體現(xiàn)壓縮性能好壞的最關(guān)鍵因素之
一。運動估計時，將16*16的像素塊定義為宏塊(MB)，在編碼時均以 宏塊為單位，每個宏塊都可以被劃分為16*16、 16*8、 8*16、 8*8、 8*4、 4*8或者4*4等7種大小、形狀不同的子塊，將子塊的劃分方式稱為預(yù) 測模式。在編碼時，從視頻序列中選取部分幀圖作為參考幀，并以宏塊 為單位對這些參考幀的像素數(shù)據(jù)完全編碼；編碼視頻圖像時，通過以下
步驟實現(xiàn)1、通過搜索、對比，確定各預(yù)測模式下當(dāng)前宏塊中各子塊
在參考幀中對應(yīng)的最相似塊；2、求出各子塊在當(dāng)前幀的位置與其最相 似塊在參考幀的位置之間的位移(運動向量MV)，以及當(dāng)前子塊與相 似塊相同位置像素之間的差值(殘差)；3、根據(jù)各預(yù)測模式對應(yīng)的編碼 代價選擇最佳預(yù)測模式及其對應(yīng)的運動向量和殘差數(shù)據(jù)。將上述運動估 計方法配合整數(shù)離散余弦變換及熵編碼就能大大降低運動圖像的數(shù)據(jù)
運動估計時需要在參考幀中確定一個搜索當(dāng)前子塊最相似塊的搜 索范圍，即搜索區(qū)域。最精確的運動估計方法是全局搜索方法，通過以 下步驟實現(xiàn)1、 整數(shù)像素運動估計，即在搜索區(qū)域內(nèi)以單位像素為搜索步長逐 點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域子塊的相似度，確定相似度最大的塊為最相
似子塊；
2、 半像素運動估計，即在搜索區(qū)域內(nèi)以1/2像素單位為搜索步長
逐點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域子塊的相似度，確定最佳l/2像素相似塊;
3、 1/4像素運動估計，即在搜索區(qū)域內(nèi)以1/4像素單位為搜索步長 逐點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域子塊的相似度，確定最佳l/4像素相似塊。
全局搜索方法雖然能夠得到最佳的運動估計結(jié)果，但是其計算量驚 人，存在需要頻繁的訪問存放參考幀的存儲器、計算時間長的缺點，難 以滿足視頻通信、數(shù)字廣播、網(wǎng)絡(luò)電視流媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崟r性的要 求。
中國專利200610113030.9號公布了一種"用于H.264/AVC編碼器
的運動估計方法"，為提高運動估計的計算速度，該方法將整數(shù)運動估 計分為粗糙層整數(shù)像素運動估計和精細層整數(shù)像素運動估計兩層，兩層 順序執(zhí)行；將分?jǐn)?shù)運動估計分為半像素運動估計和1/4像素運動估計兩 層，兩層順序執(zhí)行；運動估計器首先執(zhí)行粗糙層整數(shù)像素運動估計，然 后并行執(zhí)行精細層整數(shù)像素運動估計和半像素運動估計中的半像素差 值計算操作，最后執(zhí)行l(wèi)/4像素運動估計。
此方法在粗糙層搜索結(jié)束就得到預(yù)測模式，這樣做雖然提高了運動 估計的計算速度，可以減輕后面搜索計算的壓力，但是也帶來一個問題 通過粗糙的搜索就確定后續(xù)搜索的像素范圍和最終的預(yù)測模式，使得整 個搜索精度容易存在較大偏差，勢必使壓縮效果大打折扣。 發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有的運動估計方法的搜索精度存在較大偏差、壓縮效果差 的不足，本發(fā)明提供了一種搜索精度高、壓縮效果良好的視頻壓縮編碼算 法中的運動估計裝置。
本發(fā)明為了解決其技術(shù)問題提供的技術(shù)方案
一種視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，包括整像素運動搜索模 塊和分像素運動搜索模塊，在所述整像素運動搜索模塊中，從當(dāng)前宏塊 存儲器中讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，從參考幀存儲器中讀取參考幀數(shù)據(jù)，在搜 索區(qū)域內(nèi)以指定步長分別在多預(yù)測模式下逐點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域 子塊的相似度，確定相似度最大的塊為最相似子塊，并確定最終的宏塊 預(yù)測模式；在所述分像素運動搜索模塊中，讀取所述最相似子塊，從當(dāng) 前宏塊存儲器讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，在宏塊預(yù)測模式下，以1/2像素單位 為步長，搜索當(dāng)前子塊與確定的最相似子塊周圍的1/2像素搜索區(qū)域， 確定最佳1/2像素相似塊；以1/4像素單位為步長，搜索當(dāng)前子塊于確定
的最佳1/2像素相似塊周圍的1/4像素搜索區(qū)域，確定最佳1/4像素相似
塊，并確定所述最佳1/4像素相似塊的運動向量和殘差數(shù)據(jù)；
該運動估計裝置還包括 輸入模塊，用于在當(dāng)前幀存儲器中，以宏塊為單位把當(dāng)前宏塊輸入當(dāng)前
宏塊存儲器，把H.264編碼重構(gòu)后的圖像數(shù)據(jù)以幀為單位按搜索窗的格 式輸入?yún)⒖紟鎯ζ鳎?br> 并行搜索執(zhí)行模塊，用于將所述的整像素運動搜索方法和分像素運動搜 索方法并行流水線作業(yè)。
作為優(yōu)選的一種方案在所述并行搜索執(zhí)行模塊中，所述的當(dāng)前宏
塊進行分像素運動搜索時，其相鄰的后一個宏塊同時進行整像素運動搜索。
作為優(yōu)選的一種方案所述運動估計裝置還包括原始視頻數(shù)據(jù)存 儲器，用于存儲1個當(dāng)前亮度宏塊的數(shù)據(jù)和2個當(dāng)前色度宏塊的數(shù)據(jù)； 亮度參考幀數(shù)據(jù)存儲器，用于在整像素搜索時存儲參考窗大小的參考幀 數(shù)據(jù)；亮度參考窗數(shù)據(jù)存儲器，用于在分像素插值時存儲參考窗內(nèi)一個 局部區(qū)域的數(shù)據(jù)；亮度分像素數(shù)據(jù)存儲器，用于在分像素搜索時存儲插 值后的半像素，亮度分像素數(shù)據(jù)存儲器包括水平半像素、垂直半像素、 對角半像素三個存儲器；色度參考幀數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲參考窗大小 的色度參考幀數(shù)據(jù)。
進一步，編碼數(shù)據(jù)存儲以8x4塊為單位存儲，分成top和bottom 兩個部分存儲；參考窗數(shù)據(jù)按照8x4的陣列，存儲在32個小RAM中； 參考窗數(shù)據(jù)的讀取，采用差量更新的方法，即每次更新參考窗中相比上 一個宏塊新增加的部分。
再進一步，所述宏塊預(yù)測模式為多預(yù)測模式，所述多預(yù)測模式為 16*16或16*8或8*16或8*8。
更進一步，所述宏塊預(yù)測模式為多預(yù)測模式，當(dāng)多預(yù)測模式為16x16 模式，采用步長為1和2的正方形搜索；當(dāng)多預(yù)測模式為16x8， 8x16 和8x8模式，采用菱形搜索。
在整像素運動搜索模塊中，搜索的深度依照最佳搜索結(jié)果原則進行 動態(tài)調(diào)整，所述最佳搜索結(jié)果原則為保證16x16預(yù)測模式下大范圍搜 索的次數(shù)，并給16x8、 8x16或8x8預(yù)測模式的搜索留出時間。
在所述分像素搜索模塊中，正方形搜索依次進行1/2像素和1/4像素的搜索，將得到的運動矢量和像素預(yù)測值作為運動估計結(jié)果。
所述運動估計結(jié)果通過RAM緩存后輸出。
在搜索過程中，復(fù)用SAD (Sum of Absolute Differences,殘差絕對 值之和，簡稱SAD)計算模塊、比較模塊和篩選模塊。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思在于本裝置中將搜索方法分為整像素運動估計 和分像素運動估計兩部分，對前后兩個宏塊并行地執(zhí)行分像素運動估計和 整像素運動估計，既保證了搜索的精度，又加快了對視頻序列的處理速度； 對視頻源數(shù)據(jù)、參考幀數(shù)據(jù)等進行分類按塊存儲，保證了高效的讀寫操作 要求；對搜索中用到的核心運算模塊——SAD計算、比較、篩選等模塊 ——進行了復(fù)用，從而提高了資源利用率。
本發(fā)明的技術(shù)效果為具有圖像壓縮效果好、處理速度快。


圖1為本發(fā)明的運動估計裝置結(jié)構(gòu)圖2為原始圖像數(shù)據(jù)以宏塊為單位在運動估計裝置中的存儲方式； 圖3為整像素搜索和分像素搜索的流水線工作模式示意圖； 圖4為步長分別為1和2的正方形搜索方式； 圖5為16*8， 8*16， 8*8模式中的菱形搜索方式。
具體實施例方式
參照附圖對本發(fā)明做進一歩說明
參照圖l一圖5， 一種視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，包括整 像素運動搜索模塊和分像素運動搜索模塊，在所述整像素運動搜索模塊 中，從當(dāng)前宏塊存儲器中讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，從參考幀存儲器中讀取參 考幀數(shù)據(jù)，在搜索區(qū)域內(nèi)以指定歩長分別在多預(yù)測模式下逐點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域子塊的相似度，確定相似度最大的塊為最相似子塊，并 確定最終的宏塊預(yù)測模式；在所述分像素運動搜索模塊中，讀取所述最 相似子塊，從當(dāng)前宏塊存儲器讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，在宏塊預(yù)測模式下，
以1/2像素單位為步長，搜索當(dāng)前子塊與確定的最相似子塊周圍的1/2
像素搜索區(qū)域，確定最佳l/2像素相似塊；以l/4像素單位為步長，搜索
當(dāng)前子塊于確定的最佳1/2像素相似塊周圍的1/4像素搜索區(qū)域，確定最 佳1/4像素相似塊，并確定所述最佳1/4像素相似塊的運動向量和殘差數(shù) 據(jù)；
該運動估計裝置還包括輸入模塊，用于在當(dāng)前幀存儲器中，以宏 塊為單位把當(dāng)前宏塊輸入當(dāng)前宏塊存儲器，把H.264編碼重構(gòu)后的圖像 數(shù)據(jù)以幀為單位按搜索窗的格式輸入?yún)⒖紟鎯ζ?；并行搜索?zhí)行模塊， 用于將所述的整像素運動搜索方法和分像素運動搜索方法并行流水線作 業(yè)。
在所述并行搜索執(zhí)行模塊中，所述的當(dāng)前宏塊進行分像素運動搜索 時，其相鄰的后一個宏塊同時進行整像素運動搜索。
所述運動估計裝置還包括原始視頻數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲1個當(dāng) 前亮度宏塊的數(shù)據(jù)和2個當(dāng)前色度宏塊的數(shù)據(jù)；亮度參考幀數(shù)據(jù)存儲器， 用于在整像素搜索時存儲參考窗大小的參考幀數(shù)據(jù)；亮度參考窗數(shù)據(jù)存 儲器，用于在分像素插值時存儲參考窗內(nèi)一個局部區(qū)域的數(shù)據(jù)；亮度分 像素數(shù)據(jù)存儲器，用于在分像素搜索時存儲插值后的半像素，亮度分像 素數(shù)據(jù)存儲器包括水平半像素、垂直半像素、對角半像素三個存儲器； 色度參考幀數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲參考窗大小的參考幀數(shù)據(jù)。編碼數(shù)據(jù)存儲以8x4塊為單位存儲，分成top和bottom兩個部分 存儲；參考窗數(shù)據(jù)按照8x4的陣列，存儲在32個小RAM中；參考窗 數(shù)據(jù)的讀取，采用差量更新的方法，即每次更新參考窗中相比上一個宏 塊新增加的部分。
所述宏塊預(yù)測模式為多預(yù)測模式，所述多預(yù)測模式為16*16或16*8 或8*16或8*8。當(dāng)多預(yù)測模式為16x16模式，采用歩長為1和2的正方 形搜索；當(dāng)多預(yù)測模式為16x8， 8x16和8x8模式，采用菱形搜索。
在整像素運動搜索模塊中，搜索的深度依照最佳搜索結(jié)果原則進行 動態(tài)調(diào)整，所述最佳搜索結(jié)果原則為保證16x16預(yù)測模式下大范圍搜 索的次數(shù)，并給16x8、 8x16或8x8預(yù)測模式的搜索留出時間。
在所述分像素搜索模塊中，正方形搜索依次進行1/2像素和1/4像 素的搜索，將得到的運動矢量和像素預(yù)測值作為運動估計結(jié)果。所述運 動估計結(jié)果通過RAM緩存后輸出。在搜索過程中，復(fù)用SAD計算模塊、 比較模塊和篩選模塊。
本實施例中，圖1給出了本發(fā)明所描述的運動估計裝置的總體結(jié)
構(gòu)
1) 數(shù)據(jù)存儲單元，包括
a. 當(dāng)前幀亮度宏塊數(shù)據(jù)
b. 亮度整像素參考幀數(shù)據(jù)
c. 亮度分像素參考窗數(shù)據(jù)
d. 當(dāng)前幀色度宏塊數(shù)據(jù)
e. 色度參考窗數(shù)據(jù)
2) 運動搜索控制器，包括a. 整像素運動估計模塊
b. 分像素運動估計模塊
C.色度補償模塊。嚴(yán)格意義上講，色度補償不屬于運動估計過 程，但作為整個幀間預(yù)測的一部分，也將其列入，保持功能的完整性。 運動估計過程分為如下步驟
1) 以宏塊(16x16)為單位，從總線讀取視頻源編碼幀原始圖像數(shù)
據(jù)和參考幀圖像數(shù)據(jù)。
其中編碼數(shù)據(jù)存儲以8x4塊為單位，分成top和bottom兩個部分 存儲，如圖2所示。這樣存儲的目的是為了快速的計算編碼塊與匹配塊 的殘差絕對值之和SAD。
參考窗數(shù)據(jù)按照8x4的陣列，存儲在32個小RAM中。 參考窗數(shù)據(jù)的讀取，采用差量更新的方法，即每次更新參考窗中相 比上一個宏塊新增加的部分，以降低帶寬的利用率。
2) 針對編碼宏塊，在參考窗中進行運動搜索，搜索方法是計算 不同運動矢量下的SAD，取其最小值，作為最終的殘差和運動矢量。
搜索過程分為整像素搜索和分像素搜索兩部分。其中整像素搜索是 指直接在原始的參考窗內(nèi)搜索，通過對16x16， 16x8， 8x16, 8x8幾種模式 的搜索，初步確定宏塊的塊劃分模式。
分像素搜索是針對H.264編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)中特有的支持非整數(shù)精度 的運動矢量的特性，在經(jīng)過插值的若干個分像素參考窗中進行搜索。
為了提高運動搜索的效率，同時不降低視頻壓縮編碼器的性能，利 用數(shù)字電路的特點，采用整像素搜索和分像素搜索并行流水線控制的方 法(圖3)。分像素搜索受整像素搜索的結(jié)果所影響，而分像素搜索得到的最終運動矢量，又對色度補償和下一個宏塊的運動矢量的預(yù)測產(chǎn)生 影響。
具體的搜索方法，描述如下
a. 對于16x16模式，采用歩長為1和2的正方形搜索，如圖4所
示，擴大搜索范圍。
b. 對16x8， 8x16和8x8模式，采用菱形搜索，如圖5所示，提高 搜索覆蓋率。
c. 對分像素搜索，采用正方形搜索方式，依次進行半像素和1/4 像素的搜索，將得至'J"的運動矢量和像素預(yù)測值作為最終的結(jié)果。
d. 計算SAD時，考慮到搜索效率和集成電路的計算能力，以8x4 塊為單位進行計算。
e. 在整像素搜索時，搜索的深度根據(jù)實際情況動態(tài)的調(diào)整。在保 證實時編碼的前提下， 一方面要保證16x16模式下大范圍搜索的次數(shù)， 以在盡可能大范圍內(nèi)進行搜索；另一方面也要留下足夠的時間，進行 16x8， 8x16， 8x8等模式的搜索，確保搜索得到的SAD足夠小。
3)運動估計結(jié)果(運動矢量殘差、宏塊像素殘差、宏塊像素預(yù)測 值)通過RAM緩存后輸出，這樣可以不影響下一個宏塊的運動估計進 程，提高系統(tǒng)的效率。
上述搜索方法的硬件實現(xiàn)模塊(控制器)，以及用于存儲數(shù)據(jù)和實 現(xiàn)快速讀寫操作的數(shù)據(jù)存儲器，共同構(gòu)成本發(fā)明所述的視頻壓縮編碼器 中的運動估計裝置。
本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉， 本實用新型的保護范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思 所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1、一種視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，包括整像素運動搜索模塊和分像素運動搜索模塊，在所述整像素運動搜索模塊中，從當(dāng)前宏塊存儲器中讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，從參考幀存儲器中讀取參考幀數(shù)據(jù)，在搜索區(qū)域內(nèi)以指定步長分別在多預(yù)測模式下逐點計算當(dāng)前子塊與搜索區(qū)域子塊的相似度，確定相似度最大的塊為最相似子塊，并確定最終的宏塊預(yù)測模式；在所述分像素運動搜索模塊中，讀取所述最相似子塊，從當(dāng)前宏塊存儲器讀取當(dāng)前宏塊數(shù)據(jù)，在宏塊預(yù)測模式下，以1/2像素單位為步長，搜索當(dāng)前子塊與確定的最相似子塊周圍的1/2像素搜索區(qū)域，確定最佳1/2像素相似塊；以1/4像素單位為步長，搜索當(dāng)前子塊于確定的最佳1/2像素相似塊周圍的1/4像素搜索區(qū)域，確定最佳1/4像素相似塊，并確定所述最佳1/4像素相似塊的運動向量和殘差數(shù)據(jù)；該運動估計裝置還包括輸入模塊，用于在當(dāng)前幀存儲器中，以宏塊為單位把當(dāng)前宏塊輸入當(dāng)前宏塊存儲器，把H.264編碼重構(gòu)后的圖像數(shù)據(jù)以幀為單位按搜索窗的格式輸入?yún)⒖紟鎯ζ?；所述運動估計裝置還包括并行搜索執(zhí)行模塊，用于將所述的整像素運動搜索方法和分像素運動搜索方法并行流水線作業(yè)。
2、 如權(quán)利要求l所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其特征在于在所述并行搜索執(zhí)行模塊中，所述的當(dāng)前宏塊進行分像素運動搜索時，其相鄰的后一個宏塊同時進行整像素運動搜索。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其 特征在于所述運動估計裝置還包括原始視頻數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲一個當(dāng)前亮度宏塊的數(shù)據(jù)和2個當(dāng)前 色度宏塊的數(shù)據(jù)；亮度參考幀數(shù)據(jù)存儲器，用于在整像素搜索時存儲參考窗大小的參考 幀數(shù)據(jù)；亮度參考窗數(shù)據(jù)存儲器，用于在分像素插值時存儲參考窗內(nèi)一個局部區(qū)域的數(shù)據(jù)；亮度分像素數(shù)據(jù)存儲器，用于在分像素搜索時存儲插值后的半像素， 亮度分像素數(shù)據(jù)存儲器包括水平半像素、垂直半像素、對角半像素三 個存儲器；色度參考幀數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲參考窗大小的色度參考幀數(shù)據(jù)。
4、 如權(quán)利要求3所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其特征 在于編碼數(shù)據(jù)存儲以8x4塊為單位存儲，分成top和bottom兩個部 分存儲；參考窗數(shù)據(jù)按照8x4的陣列，存儲在32個小ram中；參考 窗數(shù)據(jù)的讀取，采用差量更新的方法，即每次更新參考窗中相比上一 個宏塊新增加的部分。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其 特征在于所述宏塊預(yù)測模式為多預(yù)測模式，所述多預(yù)測模式為16*16 或16*8或8*16或8*8。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其 特征在于所述宏塊預(yù)測模式為多預(yù)測模式，當(dāng)多預(yù)測模式為16x16模式，采用步長為1和2的正方形搜索；當(dāng)多預(yù)測模式為16x8， 8x16 和8x8模式，采用菱形搜索。
7、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其特征在于在整像素運動搜索模塊中，搜索的深度依照最佳搜索結(jié)果原 則進行動態(tài)調(diào)整，所述最佳搜索結(jié)果原則為保證16x16預(yù)測模式下大 范圍搜索的次數(shù)，并給16x8、 8x16或8x8預(yù)測模式的搜索留出時間。
8、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其 特征在于在所述分像素搜索模塊中，正方形搜索依次進行1/2像素和 1/4像素的搜索，將得到的運動矢量和像素預(yù)測值作為運動估計結(jié)果。
9、 如權(quán)利要求8所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其特征 在于所述運動估計結(jié)果通過RAM緩存后輸出。
10、 如權(quán)利要求1或2所述的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，其 特征在于在搜索過程中，復(fù)用SAD計算模塊、比較模塊和篩選模塊。
全文摘要
一種視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置，包括整像素運動搜索模塊和分像素運動搜索模塊，還包括輸入模塊，用于在當(dāng)前幀存儲器中，以宏塊為單位把當(dāng)前宏塊輸入當(dāng)前宏塊存儲器，把H.264編碼重構(gòu)后的圖像數(shù)據(jù)以幀為單位按搜索窗的格式輸入?yún)⒖紟鎯ζ?；并行搜索?zhí)行模塊，用于將所述的整像素運動搜索方法和分像素運動搜索方法并行流水線作業(yè)。本發(fā)明提供了一種搜索精度高、壓縮效果良好的視頻壓縮編碼算法中的運動估計裝置。
文檔編號H04N7/32GK101505427SQ20091009592
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者江巧微, 興 秦, 陸金剛, 渝 陳 申請人:杭州愛威芯科技有限公司