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H.264/AVC视频编码标准是目前应用最为广泛的编码标准。双向运动估计作为H.264/AVC视频编码标准的核心模块，可以提供更高的压缩性能，特别是对于处理由于相机变焦、场景变换、非线性运动等引起的问题。本文在研究双向运动估计算法的基础上实现了VLSI结构的设计。 由于双向运动估计使用两个搜索窗口，窗口交替变化，使数据的存储和利用成为研究的主要难点。因此，本文提出了一种高效的双向运动估计VLSI结构，并完成了相应模块的设计与仿真。该结构包括搜索窗口的存储单元、地址控制单元、整像素双向运动估计模块以及分像素双向运动估计模块。 整像素双向运动估计由移位寄存器、并行处理单元、块代价值的计算单元、比较模块以及判断终止条件和控制iter循环的逻辑组成。通过数据流控制模块对两个窗口进行读取，将数据串行输入并行输出，并采用16组并行处理单元，同时计算水平位置的块代价值。 分像素双向运动估计中利用实时插值和数据分配模块来实现对插值数据的即插即用。其中数据分配模块包括对数据的拼接、存储分配、读写控制以及最佳数据块的存储。最后通过匹配模块得到最佳的运动矢量和最小代价值。 仿真分析表明，本文设计的双向运动估计结构，在节省存储空间的同时，有效降低了存储器的访问次数、提高了数据利用率，解决了双向运动估计数据存储量大、搜索窗口访存次数多以及搜索时间长的问题。在SMIC0.13μm工艺下，用Synopsis DC进行逻辑综合。在时钟频率300MHz下，能够满足高清视频图像的处理速度。