[发明专利]一种视频编码的二维方向运动估计硬件电路及其方法

说明书

本发明涉及视频压缩技术领域，提出了一种视频编码的二维方向快速运动估计硬件电路及其方法。本发明所提出的关键电路部件包括四组PE_G运算估计单元电路、参考帧缓存阵列、最小代价裁决电路和控制电路四大模块，其核心是应用特殊的PE_G运算电路和参考帧缓存阵列相配合，实现搜索区域二维方向的左右和上下滑动运动估算，适用于多种不同类型搜索点的运动估计，包括但不限于四倍、两倍下采样搜索点以及原始整像素的运动估计过程。本发明特别适用于逐层渐进和全像素搜索的方式，支持4x4到16x16各种分块的运动估计，满足实时编码硬件电路的运动估算。

技术领域

本发明属于视频压缩技术领域，尤其涉及一种视频编码的二维方向快速运动估计硬件电路及其方法。

背景技术

在数字多媒体领域，消费者对于视频“高分辨率、高帧率、高图像质量“的追求越来越大，但原始视频信号因其巨大的数据量，对视频系统有限的网络带宽和系统存储容量提出了巨大的挑战，因此，如何实时的传送或者解析视频信息，视频压缩技术起到不可或缺的作用。高质量、高效的视频压缩算法和硬件结构，越来越受业界的青睐。

视频压缩技术的目的是在保持一定视觉质量的情况下，有效的去除视频数据的冗余信息。其中，去除空间和时间的冗余是视频压缩技术的主要手段。在去除时间冗余信息这方面，主要应用了运动估计（Motion Estimation，ME）来消除帧与帧之间的时域相关性，计算当前帧像素块在参考帧中的绝对差值（the Sum of Absolute Difference，SAD），最终在参考帧搜索区域找到最佳匹配的分块。这样，在编码端只需要传输当前块与参考帧最佳匹配块的差值（再经过一系列的变换、量化、熵编码等步骤得到少量的比特数）和运动矢量（Motion Vector，MV），达到压缩的目的。

运动估计作为视频编码的核心模块，也是视频压缩中最复杂的部件，其搜索算法和实现过程对编码压缩质量起到决定性的作用。目前，运动估计的大部分算法在软件层面有较好的性能，如三步、菱形等固定模式的快速搜索算法，以及逐次消元和局部失真等基于宏快时域和空域的搜索算法等。但这些算法在硬件实时系统中，由于结构复杂和存储需求，大多数都难以满足芯片面积、功耗、性能的需求。硬件实现中，全像素搜索和逐层渐进搜索（也称为分级搜索、金字塔搜索等）是一种适合硬件电路实现的方式。全像素搜索运算量巨大，在外部存储器带宽和内部存储器容量一定的条件下，如何选择合适的搜索区域大小，保证实时编码的处理速度和减低面积、功耗成本，这是一个较为困扰的难题。而逐层渐进搜索的方法，是对参考帧搜索区域像素进行下采样，下采样采用不同的尺寸进行分层，一般是对块区域进行加权平均得到下采样点，然后再在这些分层上进行搜索，最终再在分层搜索点区域进行局部整像素全搜索，大大的增加了搜索的范围，但分层搜索如何合理的安排搜索的方式，保证搜索准确度和节省搜索时间，这是一个难点。

发明内容

本发明提出了一种二维方向的快速运动估计硬件电路及其方法，其目的就是为了找到一种适用于渐进式搜索和全像素搜索的硬件电路和搜索方式，在满足实时编码视频质量的同时，有效的降低视频编码运动估计的运算复杂度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二维方向的快速运动估计硬件电路及其方法，所述的电路包括运动估计控制模块、四组PE_G运动估计电路、参考帧缓存阵列、当前帧部分块缓存阵列以及最小代价裁决模块。所述的运动估计方法步骤如下。

步骤1：对原始参考帧水平方向[-128,127]和垂直方向[-32,31]像素搜索区域进行4倍下采样，下采样的方法是对每个4x4块像素点的加权平均得到4倍下采样搜索点，此步骤在输入参考帧参考数据时同时进行，减少迭代时间。

步骤2：对步骤1中的4倍下采样搜索区域64x16大小划分三种不同类别的搜索点：

2.1 离中心点位置邻近的区域设置水平和垂直步骤为1；

2.2 离中心点较近的区域设置水平和垂直步长为2；