基于FPGA的运动估计设计

摘要：利用功能强大的FPGA实现视频图像的一种运动估计设计，采用的搜索方法是三步搜索法。在进行方案设计时，本文采用了技术比较成熟的VHDL语言进行设计，并使用Quartus II软件进行时序仿真。由仿真结果可知，无论是在功能的实现上还是在搜索的准确性、高效性以及FPGA片上资源的利用率上，本设计方案都具有明显的优越性。
关键词：视频编码；FPGA；运动估计；三步搜索法；VHDL

人类获取的信息中70％来自于视觉。视频信息具有直观性、确切性和高效性等优点，其在多媒体信息中占有重要地位，成为了主导现代生活的主力军。然而，视频信息信息量太大，对信息存储设备及通信网络均提出了很高要求，严重阻碍了人们对有效信息的获取和使用。而解决这个问题的途径就是视频编码即视频压缩。
目前，视频编码的主控制芯片主要有3种：ASIC、FPGA和DSP。ASIC和PGA属于硬件设计，DSP属于软件设计。从功能上说，全定制ASIC(Applieation Speeifie IntegratedCircuit)的功耗低、设计密度大并且能够完成高速设计，但同时其开发周期很长，投片成本很高而且不容易对解决方案进行优化，应用范围很窄；DSp(Digital Signal Proeessing)可以提供强大的数字信号处理能力，其可编程特色可以支持各种标准格式的视频编解码算法，但其处理速度低、硬件结构不灵活；FPGA(Field Programmable Gato Airay)兼有了两者的一些优点如可编程、功耗低等，同时又具有设计周期短、开发成本低、处理速度快、设计灵活等特点。

1 运动估计原理
运动估计主要是针对帧间预测，去除视频帧在空间域和时间域的冗余度。块匹配方法是目前编码效率较高，普遍采用的一种编码方法。首先，其要将当前帧进行划分。长期实践表明，将当前帧划分为多个16x16的块是比较合理的。其次，要根据划分出的当前块的具体情况，以及所采用的搜索方法来决定搜索窗口的大小。最后，要在所确定的搜索窗口里面，依据某种块匹配准则找到当前块的匹配块以及由匹配块到
当前块的运动矢量。图1所示是块匹配法的原理框图，其中的箭头就是由参考帧到当前帧的运动矢量。

目前经常采用的块匹配准则主要有归一化互相关函数(NCCF)，最小均方差(MSE)以及最小绝对值(MAD)。其中由于SAD准则在算法上并不需要做任何的乘法运算，可以减少很多的时间资源和硬件资源，从而使得SAD准则成为了现在通常使用的匹配准则。

其中A是参考帧中的搜索窗口区域，k-1和fk分别是当前帧和参考帧中的像素点值，(x0，y0)是块中的其中一个点。