H.264/AVC^[1]是由ITU和ISO/IEC的專(zhuān)家共同組成的聯(lián)合視頻小組JVT(Joint Video Team)發(fā)展和制定的新一代視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在相同的視覺(jué)感知質(zhì)量下，H.264的傳輸碼率比以往的H.263、MPEG-4等降低了50%左右^[2]。
　　運(yùn)動(dòng)矢量位移的精度越高，則幀間剩余誤差越小，壓縮比越高。H.263中采用了半像素估計(jì)，在H.264中則進(jìn)一步采用1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。分?jǐn)?shù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償用到的非整數(shù)像素點(diǎn)必須通過(guò)插補(bǔ)(interpolation)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而插補(bǔ)運(yùn)算的硬件加速對(duì)整個(gè)H.264編解碼系統(tǒng)性能的提高有重要意義。在H.264中采用了6抽頭FIR濾波器的內(nèi)插" title="內(nèi)插">內(nèi)插獲得1/2像素位置的值，則1/4像素值可通過(guò)線性內(nèi)插獲得。而對(duì)于常用的4：2：0的視頻格式，亮度信號(hào)的1/4像素精度對(duì)應(yīng)于色度的1/8像素的運(yùn)動(dòng)矢量，因此需要對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行1/8像素的插補(bǔ)運(yùn)算。在H.264的幀間預(yù)測(cè)中，4×4是最基本的處理單元，其7種模式都可以劃分為4×4塊來(lái)進(jìn)行處理，因而基于面積和時(shí)間考慮的4×4模塊的插補(bǔ)電路具有良好的可重用性。
　　文獻(xiàn)^[3]提出了使用4抽頭濾波器取代6抽頭濾波器的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度的1/2像素插補(bǔ)，利于硬件實(shí)現(xiàn)。本文在4抽頭濾波器的基礎(chǔ)上提出了可以處理4×4塊的流水線結(jié)構(gòu)，可以在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成27個(gè)1/2像素位置的插補(bǔ)運(yùn)算。對(duì)色度1/8像素的插補(bǔ)，本文提出的兩級(jí)處理的結(jié)構(gòu)，巧妙地利用移位器和加法器取代了乘法器" title="乘法器">乘法器，節(jié)省了硬件開(kāi)支。

1 插補(bǔ)算法原理
　　插補(bǔ)原理示意圖如圖1所示。2個(gè)整數(shù)像素位置之間的1/2像素點(diǎn)像素如圖1(a)中的a、b、aa等，是利用一個(gè)帶權(quán)重的6抽頭有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器對(duì)相鄰整數(shù)位置的像素值進(jìn)行內(nèi)插得到的，權(quán)重值是(1/32，-5/32，5/8，5/8，-5/32，1/32)。如：
　　a=round((A-5*B+20*C+20*D-5*E+F)/32)　　　　　　(1)
　　h=round((A-5*G+20*H+20*I-5*J+K)/32)　　　　　　(2)
　　aa=round((a-5*b+20*c+20*d-5*e+f)/32)　　　　　　(3)
　　　=round((h-5*i+20*j+20*k-5*l+m)/32)
　　由于6抽頭FIR的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，文獻(xiàn)^[3]提出的權(quán)重值為(-1/8，5/8，5/8，-1/8)4抽頭FIR在對(duì)圖像質(zhì)量" title="圖像質(zhì)量">圖像質(zhì)量和比特率影響很小的情況下，可以很大程度地節(jié)省硬件資源。如圖1(b)中：
　　a=round((-1*B+5*C+5*D-1*E)/8)　　　　　　　　　　(4)
　　h=round((-1*G+5*H+5*I-1*J)/8)　　　　　　　　　　(5)
　　aa=round((-1*b+5*c+5*d-1*e)/8)　　　　　　　　　　(6)
　　　=round((-1*i+5*j+5*k-1*l)/8)
　　最匹配的1/2像素位置確定以后，1/4像素位置的像素由周?chē)恼麛?shù)像素位置像素和1/2像素位置像素線性插補(bǔ)得到。
　　在常用的4：2：0采樣中，亮度分量1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量應(yīng)用到色度分量需要1/8的像素精度。在色度空間，對(duì)整數(shù)位置的像素值進(jìn)行線性插補(bǔ)可以得到1/8像素精度的插補(bǔ)值。如圖1(b)所示，1/8像素位置的像素a是周?chē)麛?shù)位置像素A，B，C，D的線性組合：
　　a=round(8-x)*(8-y)*A+x*(8-y)*B+y*(8-x)*C+x*y*D/64 (7)
2 硬件結(jié)構(gòu)
2.1 亮度1/2像素插補(bǔ)電路
　　4抽頭FIR與6抽頭FIR結(jié)構(gòu)比較如圖2所示。由圖2可以看出，4抽頭FIR的結(jié)構(gòu)比6抽頭FIR易于硬件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明前者的電路面積和關(guān)鍵路徑延時(shí)比后者分別減少了36.2%和16.0%。

　　4×4塊的1/2像素精度插補(bǔ)電路的流水線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，共有16個(gè)4抽頭FIR，利用一個(gè)6×4的整數(shù)像素點(diǎn)陣列作為緩沖區(qū)，每次從存儲(chǔ)器中讀出8個(gè)整數(shù)像素點(diǎn)，分別用于5個(gè)水平4抽頭FIR的輸入。每個(gè)時(shí)鐘所有的像素點(diǎn)都會(huì)向下傳送一級(jí)，圖中虛線框處已經(jīng)計(jì)算出了整數(shù)像素點(diǎn)周?chē)乃?7個(gè)1/2像素值，可以輸出到并行處理單元同時(shí)計(jì)算9個(gè)半像素位置的SAD(Sum of Absolute Difference)。該架構(gòu)處理一個(gè)4×4單元需要8個(gè)時(shí)鐘，處理一個(gè)具有相同運(yùn)動(dòng)矢量的4×16塊需要20個(gè)時(shí)鐘。

2.2 亮度1/4像素插補(bǔ)電路
　　亮度1/4像素的線性插補(bǔ)可以用一個(gè)加法器和一個(gè)移位器實(shí)現(xiàn)。圖4為4×4塊1/4像素插補(bǔ)電路的結(jié)構(gòu)圖， 采用兩級(jí)流水線，輸入部分為18個(gè)像素點(diǎn)，利用線性插補(bǔ)生成所需要的1/4像素位置像素。在圖中虛線框部分可以計(jì)算出最佳1/2像素點(diǎn)周?chē)乃?/4像素點(diǎn)，輸出給并行處理單元計(jì)算9個(gè)1/4像素位置的SAD。該架構(gòu)完成一個(gè)4×4單元需要6個(gè)時(shí)鐘，完成一個(gè)具有相同運(yùn)動(dòng)矢量的4×16塊需要18個(gè)時(shí)鐘。

　　H.264的幀間預(yù)測(cè)中，一個(gè)宏塊(MB)可劃分成16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4不同模式。這7種模式都可以劃分為16個(gè)4×4塊分別進(jìn)行處理。具有相同整像素運(yùn)動(dòng)矢量的縱向相鄰4×4塊可以連續(xù)處理以節(jié)省時(shí)鐘數(shù)。表1列出了亮度為1/2像素插補(bǔ)和1/4像素插補(bǔ)時(shí)流水線處理一個(gè)宏塊不同模式分別需要的時(shí)鐘數(shù)。

2.3 色度1/8像素插補(bǔ)電路
　　如果利用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)色度1/8像素精度的插補(bǔ)電路，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)運(yùn)算都要用到8個(gè)乘法器，無(wú)論是面積還是時(shí)間都會(huì)有很大的開(kāi)銷(xiāo)。變換公式(7)可得公式(8)，可以看出其中含有如(9)式所示的公共運(yùn)算單元。
　　a=round{{(8-y)[(8-x)×A+x×B]+y[(8-x)×C+x×D]}/64}　　　　　　　　(8)
　　cf=(8-h)×M+h×N　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)
　　硬件設(shè)計(jì)采用兩級(jí)處理的結(jié)構(gòu)，采用圖5所示的CU單元處理公式(9)，色度1/8插補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于該結(jié)構(gòu)的兩級(jí)間比較平衡，非常容易插入寄存器以減少關(guān)鍵路徑的延時(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　使用VerilogHDL對(duì)本文中提到的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，仿真工具使用VCS7.2，綜合工具使用Synopsys Design Compiler(SMIC 0.18μm工藝)。

　　文獻(xiàn)[4]中使用6抽頭FIR的4×4塊插補(bǔ)電路流水線結(jié)構(gòu)，與本文使用的4抽頭FIR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，其電路性能如表2所示。本文的設(shè)計(jì)在速度和面積方面均具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。使用H.264參考軟件JM7.3分別對(duì)亮度1/2像素插補(bǔ)運(yùn)算中使用6抽頭FIR和4抽頭FIR進(jìn)行仿真比較，采用了4個(gè)視頻序列Container、Foreman、News和Tenis。其中每個(gè)序列由30個(gè)QCIF(Quarter Common Intermediate Format)幀組成，序列形式為IBBPBBPBBP。H.264主要檔次，搜索半徑16，使用5個(gè)參考幀。4抽頭FIR與6抽頭FIR圖像質(zhì)量比較如表3所示。表中△b為平均碼率的增加，△P為峰值信噪比(PSNR)的增加。可以看出，使用4抽頭FIR對(duì)圖像質(zhì)量和比特率的影響非常小。
　　與其他的設(shè)計(jì)方法相比較，本文提出的色度1/8像素的插補(bǔ)電路可以很大程度上節(jié)省硬件資源。其性能比較如表4所示。與文獻(xiàn)[5]中的設(shè)計(jì)相比，本文的設(shè)計(jì)關(guān)鍵路徑延時(shí)僅增加了1.5%，門(mén)數(shù)減少了26%。