H.264中插补算法的VLSI设计与实现

　　2.2 亮度1/4像素插补电路

　　亮度1/4像素的线性插补可以用一个加法器和一个移位器实现。图4为4×4块1/4像素插补电路的结构图，采用两级流水线，输入部分为18个像素点，利用线性插补生成所需要的1/4像素位置像素。在图中虚线框部分可以计算出最佳1/2像素点周围的所 有1/4像素点，输出给并行处理单元计算9个1/4像素位置的SAD。该架构完成一个4×4单元需要6个时钟，完成一个具有相同运动矢量的4×16块需要18个时钟。

　　H.264的帧间预测中，一个宏块(MB)可划分成16×16、16×8、8×16、8×8、8× 4、4×8、4×4不同模式。这7种模式都可以划分为16个4×4块分别进行处理。具有相同整像素运动矢量的纵向相邻4×4块可以连续处理以节省时钟数。表1列出了亮度为1/2像素插补和1/4像素插补时流水线处理一个宏块不同模式分别需要的时钟数。

　　2.3 色度1/8像素插补电路

　　如果利用乘法器来实现色度1/8像素精度的插补电路，对每一个点的插补运算都要用到8个乘法器，无论是面积还是时间都会有很大的开销。变换公式(7)可得公式(8)，可以看出其中含有如(9)式所示的公共运算单元。

　　a=round{{(8-y)[(8-x)×A+x×B]+y[(8-x)×C+x×D]}/64}　　　　　　　　(8)
　　cf=(8-h)×M+h×N　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)

　　硬件设计采用两级处理的结构，采用图5所示的CU单元处理公式(9)，色度1/8插补电路结构如图6所示。由于该结构的两级间比较平衡，非常容易插入寄存器以减少关键路径的延时。

　　3 实验结果

　　使用VerilogHDL对本文中提到的设计进行了实现，仿真工具使用VCS7.2，综合工具使用Synopsys Design Compiler(SMIC 0.18μm工艺)。

　　文献[4]中使用6抽头FIR的4×4块插补电路流水线结构，与本文使用的4抽头FIR结构进行了比较，其电路性能如表2所示。本文的设计在速度和面积方面均具有非常明显的优势。使用H.264参考软件JM7.3分别对亮度1/2像素插补运算中使用6抽头FIR和4抽头FIR进行仿真比较，采用了4个视频序列Container、Foreman、News和Tenis。其中每个序列由30个QCIF (Quarter Common Intermediate Format)帧组成，序列形式为IBBPBBPBBP。H.264主要档次，搜索半径16，使用5个参考帧。4抽头FIR与6抽头FIR图像质量比较如表3所示。表中△b为平均码率的增加，△P为峰值信噪比(PSNR)的增加。可以看出，使用4抽头FIR对图像质量和比特率的影响非常小。

　　与其他的设计方法相比较，本文提出的色度1/8像素的插补电路可以很大程度上节省硬件资源。其性能比较如表4所示。与文献[5]中的设计相比，本文的设计关键路径延时仅增加了1.5%，门数减少了26%。

　　本文介绍了亮度1/4像素精度下，最常用的4:2:0采样模式时插补电路的硬件设计，通过4抽头 FIR代替6抽头FIR来实现亮度1/2像素插补，通过移位器和加法器组成的两级处理结构来实现色度1/8像素插补，设计的电路具有面积小、速度快的优点。在此基础上基于功耗和性能考虑的4×4块的流水线结构具有良好的可重用性，可作为硬件加速器用于基于H.264的编解码系统。

　　参考文献

1 Joint Video Team.Draft ITU-T Recommendation and Final Draft International Standard of Joint Video Specification.ITU-T Rec.H.264 and ISO/IEC 14496-10 AVC，2003
2 Wiegand T.Rate-constrained coder control and comparison of video coding standards.IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology，2003；13(7)：688～703
3 Lie, W N.Hardware-Efficient computing architecture for motion compensation interpolation in H.264 video coding. ISCAS′05，2005：2136～2139
4 Chen T C，Huang Y W，Chen L G.Fully utilized and reusable architecture for fractional motion estimation of H.264/AVC.In：Proc of ICASSP，2004
5 Wang S Z.A new motion compensation design for H.264/AVC decoder.In：IEEE inter national symposium on ISCAS′05， 2005