随着视频技术的发展,视频的分辨率变得越来越高。目前,高清、超高清视频已经成为主流,相应每一帧视频信息量也急剧增加,对超高清视频的存储和传输带来极大挑战。视频编码技术可以为视频的压缩和传输提供了很好的解决方案。最新的视频编码标准HEVC/H.265(High Efficiency Video Coding),为高清和超高清视频提供了良好的压缩效率。在相同视频清晰度的情况下,HEVC比上一代视频编码标准H.264减少了近50%的编码比特率。在提高压缩率的同时,HEVC编码复杂度和编码时间也相应的增加,对视频编解码的实时性非常不利。因此,为了实现超高清视频的实时传输,需要设计高吞吐和高性能的HEVC编解码芯片。本文主要围绕HEVC编码器中帧间预测,提出了一种高吞吐的整像素运动估计和分像素运动估计的硬件架构。具体工作如下:(1)运动估计是HEVC帧间预测中最核心的模块,为了提高视频图像的压缩效率,其预测单元(PU)的尺寸和数量都急剧增加,造成运动估计的高复杂度,为高清和超高清视频的实时处理带来巨大挑战。本文针对整像素运动估计,提出了一种适合硬件实现的运动估计算法,并设计了硬件架构。该算法分为粗搜索和细搜索两个阶段,对同一深度的预测单元共享了其粗搜索结果,增大了细搜索阶段PU的并行度。对硬件设计部分,在粗搜索阶段,设计了一种层次复用的参考像素调度策略,并为其组织了流水线结构,保证了参考像素的完全复用和实现了搜索点之间有规律的流水线匹配代价计算;在细搜索阶段,采用光栅扫描式搜索策略,复用了粗搜索时的参考像素寄存器和SAD计算单元,大大减少了硬件资源。在90nm的工艺下,综合结果表明最高频率可以达到377MHz,在搜索范围为±64时,能够达到超高清视频图像3840×2160@60fps的实时处理速度。(2)本文针对运动估计中分像素运动模块进行了硬件设计,对插值计算单元设计了共享半像素和1/4像素滤波器的插值滤波单元,并在不同插值位置间共享插值结果,减少了插值个数。通过分析搜索点的数据的处理顺序,不同搜索阶段,设计了插值和匹配代价计算单元流水线结构,并优化了插值滤波单元电路结构。最后可达到3840×2160@30fps的处理速度。