基于FPGA的運動估計設計

摘要：利用功能強大的FPGA實現視頻圖像的一種運動估計設計，采用的搜索方法是三步搜索法。在進行方案設計時，本文采用了技術比較成熟的VHDL語言進行設計，并使用Quartus II軟件進行時序仿真。由仿真結果可知，無論是在功能的實現上還是在搜索的準確性、高效性以及FPGA片上資源的利用率上，本設計方案都具有明顯的優越性。
關鍵詞：視頻編碼；FPGA；運動估計；三步搜索法；VHDL

人類獲取的信息中70％來自于視覺。視頻信息具有直觀性、確切性和高效性等優點，其在多媒體信息中占有重要地位，成為了主導現代生活的主力軍。然而，視頻信息信息量太大，對信息存儲設備及通信網絡均提出了很高要求，嚴重阻礙了人們對有效信息的獲取和使用。而解決這個問題的途徑就是視頻編碼即視頻壓縮。
目前，視頻編碼的主控制芯片主要有3種：ASIC、FPGA和DSP。ASIC和PGA屬于硬件設計，DSP屬于軟件設計。從功能上說，全定制ASIC(Applieation Speeifie IntegratedCircuit)的功耗低、設計密度大并且能夠完成高速設計，但同時其開發周期很長，投片成本很高而且不容易對解決方案進行優化，應用范圍很窄；DSp(Digital Signal Proeessing)可以提供強大的數字信號處理能力，其可編程特色可以支持各種標準格式的視頻編解碼算法，但其處理速度低、硬件結構不靈活；FPGA(Field Programmable Gato Airay)兼有了兩者的一些優點如可編程、功耗低等，同時又具有設計周期短、開發成本低、處理速度快、設計靈活等特點。

1 運動估計原理
運動估計主要是針對幀間預測，去除視頻幀在空間域和時間域的冗余度。塊匹配方法是目前編碼效率較高，普遍采用的一種編碼方法。首先，其要將當前幀進行劃分。長期實踐表明，將當前幀劃分為多個16x16的塊是比較合理的。其次，要根據劃分出的當前塊的具體情況，以及所采用的搜索方法來決定搜索窗口的大小。最后，要在所確定的搜索窗口里面，依據某種塊匹配準則找到當前塊的匹配塊以及由匹配塊到
當前塊的運動矢量。圖1所示是塊匹配法的原理框圖，其中的箭頭就是由參考幀到當前幀的運動矢量。

目前經常采用的塊匹配準則主要有歸一化互相關函數(NCCF)，最小均方差(MSE)以及最小絕對值(MAD)。其中由于SAD準則在算法上并不需要做任何的乘法運算，可以減少很多的時間資源和硬件資源，從而使得SAD準則成為了現在通常使用的匹配準則。

其中A是參考幀中的搜索窗口區域，k-1和fk分別是當前幀和參考幀中的像素點值，(x0，y0)是塊中的其中一個點。