H.264是ITU-T(VCEG)和ISO/IEC(JVT)聯(lián)合提出的新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2003年公布。H.264標(biāo)準(zhǔn)承諾將在編碼壓縮性能上超過以往所有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)(MPEG2，MPEG4，H.263等)。H.264包含7個(gè)不同的檔次，其中baseline檔次適合于手持設(shè)備、個(gè)人終端等應(yīng)用。
　　在H.264 baseline解碼器的FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊占據(jù)十分重要的地位。一般來講，在整個(gè)解碼器中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊往往是占用硬件復(fù)雜度最高、功耗最大的模塊。因此在解碼器的設(shè)計(jì)過程中，有必要對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。
1 Baseline級(jí)別中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)
　　在一般情況下，H.264 baseline解碼器中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器具有以下特點(diǎn)：
　　(1)支持4×4到16×16的可變塊大小的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
　　(2)支持運(yùn)動(dòng)向量的預(yù)測和恢復(fù)。
　　(3)在像素插值" title="插值">插值中，亮度像素的插值精度為1/4像素，色度像素的精度為1/8像素。
　　(4)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器涉及的圖像類型只有I幀和P幀。除此之外，沒有其他類型的圖像。
2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的硬件設(shè)計(jì)
　　運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)拇笾铝鞒虨椋焊鶕?jù)H.264標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的算法，利用解碼得到的運(yùn)動(dòng)向量殘差和解碼端計(jì)算出運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)值，恢復(fù)出當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量。并利用已經(jīng)掌握的運(yùn)動(dòng)向量、參考幀號(hào)和當(dāng)前解碼塊的位置等信息，從外存(本設(shè)計(jì)支持SDRAM或DDR SDRAM)中讀入所需的參考幀數(shù)據(jù)。然后，利用讀入的參考幀數(shù)據(jù)，結(jié)合已經(jīng)計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)向量，完成亞像素" title="亞像素">亞像素插值。插值之后的數(shù)據(jù)即是像素的預(yù)測值，該預(yù)測值可以輸出到圖像重建" title="圖像重建">圖像重建模塊中與反量化反變換模塊得到的像素殘差值相加，并回寫入外存中。
　　由于H.264使用幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測，圖像重建模塊需要處理來自幀內(nèi)補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，所以解碼器中，圖像重建模塊并未被劃分到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊中，而是獨(dú)立成為一個(gè)模塊。該模塊的硬件設(shè)計(jì)也已完成。本運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的頂層結(jié)構(gòu)及周邊模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中虛線框所示為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的頂層結(jié)構(gòu)。

2.1 運(yùn)動(dòng)向量恢復(fù)模塊

　　在H.264 baseline解碼器中，當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量需要通過本地計(jì)算恢復(fù)得到。計(jì)算方法是：將本地恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)值和編碼端傳輸過來的運(yùn)動(dòng)向量殘差值相加，得到的和即是當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量。其中運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)值的計(jì)算完全遵照H.264標(biāo)準(zhǔn)。由于計(jì)算當(dāng)前塊數(shù)據(jù)時(shí)需要用到相鄰塊的數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)本地存儲(chǔ)單元將其暫時(shí)存儲(chǔ)。這里所謂的相鄰塊的定義如標(biāo)準(zhǔn)所述。

　　運(yùn)動(dòng)向量恢復(fù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該模塊中，控制模塊生成控制信號(hào)，調(diào)度各個(gè)子模塊的工作。當(dāng)前塊的信息首先被輸入到相鄰塊信息生成模塊。該子模塊利用這些信息計(jì)算出相鄰塊的位置信息。這些位置信息被提交給本地?cái)?shù)據(jù)管理模塊，從中調(diào)用相鄰塊的運(yùn)動(dòng)向量相關(guān)信息，并輸出給運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)模塊。運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)模塊利用這些數(shù)據(jù)，估計(jì)出當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)值，并將估計(jì)值反饋給本地?cái)?shù)據(jù)管理模塊。在本地?cái)?shù)據(jù)管理模塊內(nèi)，運(yùn)動(dòng)向量的估計(jì)值和殘差值相加得到當(dāng)前模塊的運(yùn)動(dòng)向量。一方面，這個(gè)運(yùn)動(dòng)向量被作為運(yùn)動(dòng)向量恢復(fù)模塊的輸出；另一方面，運(yùn)動(dòng)向量同時(shí)被存儲(chǔ)進(jìn)本地存儲(chǔ)器，當(dāng)需要時(shí)可被當(dāng)作今后塊的相鄰塊信息調(diào)用。
2.2 參考幀數(shù)據(jù)讀取模塊
　　由于參考幀數(shù)據(jù)被按照一定的格式存儲(chǔ)在外存中(本設(shè)計(jì)支持SDRAM或DDR SDRAM)，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，需要將所需的參考幀數(shù)據(jù)從外存中讀入；另一方面，插值模塊需要使用到這些讀入的數(shù)據(jù)。因此，參考幀讀取模塊的主要功能是將參考幀數(shù)據(jù)讀入，并按照一定的格式輸送給亞像素插值" title="像素插值">像素插值模塊。
　　H.264標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，亮度像素通過6抽頭的濾波器實(shí)現(xiàn)半像素插值，色度像素通過2抽頭的濾波器實(shí)現(xiàn)半像素插值。因此，對(duì)于一個(gè)4×4的亮度塊，需要一次讀入一個(gè)9×9像素的塊；對(duì)于2×2的色度塊，需要一次讀入3×3像素的塊。由于亞像素插值是逐行進(jìn)行的，亮度像素每次輸出同一列的6個(gè)點(diǎn)給亞像素插值模塊；而色度像素則輸出同一列的3個(gè)點(diǎn)給亞像素插值模塊。
　　總體來講，參考幀數(shù)據(jù)讀取模塊通過一個(gè)多層嵌套的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。其中頂層的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)狀況如圖3所示。

　　首先，本子模塊根據(jù)當(dāng)前塊的位置和當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量，計(jì)算出參考數(shù)據(jù)塊在參考幀中的位置。這個(gè)位置信息和參考幀編號(hào)被一起提交給外部的地址轉(zhuǎn)換模塊，從而申請(qǐng)從外存讀入數(shù)據(jù)。本子模塊內(nèi)部包含了一個(gè)9×9字節(jié)的本地寄存器堆，從外存中讀入的數(shù)據(jù)被暫時(shí)存儲(chǔ)在寄存器堆內(nèi)，以便這些數(shù)據(jù)被并發(fā)訪問。一旦進(jìn)入到數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)，就按節(jié)拍選擇必要的數(shù)據(jù)輸出給亞像素插值模塊。
2.3 亞像素插值模塊
　　為盡可能減少片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)量并兼顧速度，亞像素模塊對(duì)亮度采用4×4塊串行處理的工作方式。即在一段時(shí)間內(nèi)集中處理一個(gè)4×4亮度塊的數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前單元大于4×4，則必定將其劃分為多個(gè)4×4塊，并且這些4×4塊之間享有相同的運(yùn)動(dòng)向量。類似的，對(duì)于色度數(shù)據(jù)則采用2×2塊串行處理的工作方式，即在一段時(shí)間內(nèi)集中處理一個(gè)2×2亮度塊的數(shù)據(jù)。在同一個(gè)4×4或2×2塊內(nèi)，則采用逐行計(jì)算的順序。
　　對(duì)于亮度部分，需采用6抽頭的濾波器來實(shí)現(xiàn)整像素到半像素的插值。考慮到6個(gè)抽頭的加權(quán)系數(shù)為[1，-5，20，20，-5，1]，如果直接采用乘法器實(shí)現(xiàn)乘系數(shù)的運(yùn)算，則必然導(dǎo)致較高的硬件開銷。因此采用兩種基于加法器的設(shè)計(jì)來分別實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的半像素插值。這兩種濾波器的結(jié)構(gòu)分別如圖4(a)和圖4(b)所示。