H.264/AVC解碼器運動矢量預測模塊設計與應用

H.264/AVC支持3種圖像編碼模式：幀模式、場模式和宏塊自適應幀場(MBAFF)模式。在幀模式下，1幅圖像被劃分成由16×16宏塊組成的幀;H.264是一種高性能的視頻編解碼技術。目前國際上制定視頻編解碼技術的組織有兩個，一個是“國際電聯(ITU-T)”，它制定的標準有H.261、H.263、H.263+等，另一個是“國際標準化組織(ISO)”它制定的標準有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。H.264最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。本文將探討在解碼的過程中MBAFF模式在P幀和B幀的幀間預測算法和硬件設計。

1 幀間預測技術

幀間預測是利用視頻圖像幀間的相關性，即時間相關性，來達到圖像壓縮的目的，廣泛用于普通電視、會議電視、視頻電話、高清晰度電視的壓縮編碼。在圖像傳輸技術中，活動圖像特別是電視圖像是關注的主要對象?；顒訄D像是由時間上以幀周期為間隔的連續圖像幀組成的時間圖像序列，它在時間上比在空間上具有更大的相關性。大多數電視圖像相鄰幀間細節變化是很小的，即視頻圖像幀間具有很強的相關性，利用幀所具有的相關性的特點進行幀間編碼，可獲得比幀內編碼高得多的壓縮比。在解碼時，解碼器只需要采用同樣的算法先預測出運動矢量的預測值MVp，而后將其與殘差MVd相加便可以恢復出運動矢量的實際值MV[1]供運動補償使用。MVp[1]取決于運動補償的尺寸和鄰近MV的有無。

在幀間預測模式下，宏塊有16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4這7種運動矢量的分割方法。為方便描述，把參考宏塊相應分割的運動矢量命名為MVLXN[2]，參考索引命名為refIdxLXN，當前宏塊分割的運動矢量MVpLX[2]就是通過MVLXN和refIdxLXN預測得到的。圖1所示為非MBAFF模式時當前宏塊分割為16×16的情況，E為當前宏塊或宏塊分割，A、B、C分別為E的左、上、右上方的3個相對應分割塊。因為人眼對圖像中靜止或活動慢的部分，要求有較高的空間分辨率，而對時間分辨率的要求可低些。這種方法叫幀重復方法，廣泛應用于視頻電話、視頻會議系統中，其圖像幀速率一般為1~15幀/秒。

1.1 預測運動矢量MVp的計算

在宏塊分割為16×16、8×8、8×4、4×8和4×4時，運動矢量的預測值是由參考宏塊分割A、B、C的運動矢量計算得到的：

(1)如果分割B和C不可用，而分割A可用，則會對MVLXB、MVLXC、refIdxLXB、refIdxLXC重新賦值：MVLXB=‘MVLXA、MVLXC=MVLXA、refIdxLXB=refIdxLXA、refIdx-LXC=refIdxLXA。

(2)根據refIdxLXA、refIdxLXB和refIdxLXC的取值計算mvpLX：

①如果分割A、B、C的參考索引refIdxLXA、 refIdxLXB或refIdxLXC中的一個等于當前分割的索引號refIdxLX，則當前分割的矢量預測值由相應分割的運動矢量得到：MVpLX=mvLXN。

②如果分割A、B、C的參考索引refIdxLXA、 refIdxLXB或refIdxLXC都不等于當前分割的索引號refIdxLX，則通過取A、B、C的運動矢量中值得到：

MVpLX[0]=Median(MVLXA[0]，MVLXB[0]，MVLXC[0])

MVpLX[1]=Median(MVLXA[1]，MVLXB[1]，MVLXC[1])

運動矢量的預測在當前宏塊分割為16×8和8×16的時候會先做如下的判斷，如果不滿足則通過上述取中值的方法得到預測值：

(1)對于1個宏塊被分割成2個16×8子宏塊的情況

①計算mbPartIdx等于0的子宏塊如圖2(a)所示。如果refIdxLXB等于當前分割的refIdxLX，則當前塊的矢量預測值由B宏塊的相應分割的矢量得到：MVpLX= MVLXB。

②計算mbPartIdx等于1的子宏塊如圖2所示，如果refIdxLXA等于當前分割的refIdxLX，則當前塊的矢量預測值由A宏塊的相應分割的矢量得到：MVpLX=MVLXA。

(2)對于1個宏塊被分割成2個8×16子宏塊的情況：

①計算mbPartIdx等于0的子宏塊如圖2(b)所示。如果refIdxLXA等于當前分割的refIdxLX，則當前塊的矢量預測值由B宏塊的相應分割的矢量得到：MVpLX=MVLXA。

②計算mbPartIdx等于1的子宏塊如圖2(b)所示，如果refIdxLXC等于當前分割的refIdxLX，則當前塊的矢量預測值由C宏塊的相應分割的矢量得到：MVpLX=MVLXC。

1.2 參考宏塊分割的運動矢量MVLXN和參考索引refIdxLXN的計算

在計算參考宏塊分割A、B、C的運動矢量MVLXN和參考索引refIdxLXN之前，應先檢測分割C是否可用，如果C不可用，則用分割D的信息代替。A、B、C的運動矢量MVLXN和參考索引refIdxLXN的計算：

(1)如果宏塊mbAddrN不可用或者宏塊mbAddrN為幀內編碼，或者mbAddrN相應分割或者子宏塊分割的predFlagLX等于0，則對MVLXN置0，對refIdxLXN置-1。

(2)MVLXN為mbAddrN相應宏塊分割或者子宏塊分割的運動矢量，refIdxLXN為mbAddrN相應宏塊分割的參考索引值：

MVLXN=MvLX[mbPartIdxN][subMbPartIdxN]

refIdxLXN=RefIdxLX[mbPartIdxN]

(3)在MBAFF模式時，需要對MVLXN和refIdxLXN再做1次計算：

①如果當前宏塊為場宏塊，而mbAddrN為幀宏塊，則：

MVLXN[1]=MVLXN[1]/2

refIdxLXN=refIdxLXN×2

②如果當前宏塊為幀宏塊，而mbAddrN為場宏塊，則：

MVLXN[1]=MVLXN[1]×2

refIdxLXN=refIdxLXN/2

1.3 空間相鄰參考宏塊分割的選擇

在非MBAFF模式時，當前宏塊的空間相鄰宏塊地址A、B、C、D的位置如圖3所示?？臻g參考宏塊mbAddrN可以是MbAddrA、MbAddrB、MbAddrC、MbAddrD或者CurrMbAddr。

在MBAFF模式時，當前宏塊的空間相鄰宏塊地址A、B、C、D的位置如圖4所示。此時會根據當前宏塊是幀宏塊或者場宏塊currMbFrameFlag以及當前宏塊是頂宏塊或者底宏塊mbIsTopMbFlag來計算1個中間值mbAddrX，并根據mbAddrX的幀場信息mbAddrXFrameFlag來得到最終的參考宏塊MbAddrN。參考宏塊mbAddrN可以是MbAddrA、MbAddrA+1、MbAddrB、MbAddrB+1、MbAddrC、MbAddrC+1、MbAddrD、MbAddrD+1、CurrMbAddr或者CurrMbAddr-1。

1.4 運動矢量預測所需數據的組織

運動矢量的預測需要當前分割的左邊、上邊、左上和右上相應分割的MVLXN和refIdxLXN信息來計算得到當前分割的MVLX。1個宏塊需要存儲16個block的運動矢量MVLX和參考索引refIdxLX，當采用其他分割類型時，每個分割內所有block的運動矢量和參考索引為相同值。

幀間預測按照block存儲和使用數據。當前宏塊分割的運動矢量和參考索引需要按照block來存儲以用于后面宏塊的預測。每個分割內所有block的運動矢量和參考索引為相同值，所以參考分割的MVLXN和refIdxLXN的引用也可以按照block來進行。

因為同一分割內所有block的運動矢量和參考索引為相同值，因此，參考分割的MVLXN和refIdx-LXN也就是參考宏塊相應的block的MVLX和refIdx-LX。圖5(a)~(d)分別表明了當前宏塊采用不同劃分時A、B、C、D 4個參考塊的取值情況。在預測時一般選取A、B、C塊對當前的運動矢量進行預測，當C不可用時則選用A、B、D進行預測。在MBAFF模式時，由于參考宏塊的位置不同會作相應變化。H.264為了提高碼率控制的能力，量化步長的變化的幅度控制在12.5%左右，而不是以不變的增幅變化。變換系數幅度的歸一化被放在反量化過程中處理以減少計算的復雜性。為了強調彩色的逼真性，對色度系數采用了較小量化步長。2 直接預測模式和硬件設計

H.264/AVC對運動矢量的重建引入了直接預測模式，在該模式下運動矢量殘差沒有被傳送，只有宏塊的預測模式會被傳送。解碼器根據預測模式以及其余宏塊的信息對當前的運動矢量進行恢復。運動矢量的重建流程如圖6所示。在直接預測模式下，H.264分別采用3種不同的方式對運動矢量進行重建。

在先前的H.26x系列和MPEG-x系列標準中，都是采用的幀間預測的方式。在H.264中，當編碼Intra圖像時可用幀內預測。對于每個4×4塊(除了邊緣塊特別處置以外)，每個像素都可用17個最接近的先前已編碼的像素的不同加權和(有的權值可為0)來預測，即此像素所在塊的左上角的17個像素。顯然，這種幀內預測不是在時間上，而是在空間域上進行的預測編碼算法，可以除去相鄰塊之間的空間冗余度，取得更為有效的壓縮。

(1)復制模式。在P類型的宏塊中，利用空間上相鄰分割的運動矢量對當前的運動矢量進行預測。

(2)空間模式。在B類型的宏塊中，利用空間上相鄰分割的運動矢量對當前的運動矢量進行預測。

(3)時間模式。在B類型的宏塊中，通過將時間上相鄰而且在空間上位置相同的8×8分割的運動矢量進行重量化來預測出當前的運動矢量。

其中復制模式和空間模式在算法上具有一定的相似性，差別在于復制模式只需要重建1個方向的運動矢量，而空間模式需要重建雙向的運動矢量。

2.1 空間模式及復制模式重建算法和硬件設計

在這2種模式下：(1)宏塊只能劃分成1個16×16分割或者4個8×8分割。在劃分成4個8×8時，每1個8×8分割可以獨立地被設置成直接模式或者ReadMV模式;(2)計算當前的運動矢量需要借助在空間上相鄰分割的運動矢量來對當前分割的運動矢量進行重建。此時運動矢量的預測算法與前面介紹的預測運動矢量的算法基本相同，所不同的是此時宏塊中的任意1個分割預測時所使用的相鄰塊信息均由圖7所示的A、B、C、D 4個塊預測。

Direct 8×8用A、B、C、D 4個塊進行預測。預測的基本算法流程如圖8所示。由圖可見，在預測時首先檢測參考塊C是否可用，如不可用，則C塊的參數用D塊的參數代替;而后利用A、B