基于H.264标准的运动搜索算法的研究

论文摘要

视频压缩不仅是必要的,而且是可能的。视频序列帧内与帧间的冗余使得视频压缩成为可能。最新的视频编码标准H.264将每个视频图像分成16x16的像素宏块,使得视频图像能以像素宏块为单位进行处理。H.264采用了多种视频处理技术:利用时域相关性、利用残差的空域冗余度、采用变换、量化、扫描输出和熵编码、采用多种图像类型等。采用了这些先进的编码技术后,压缩性能和解码质量都获得了很大的提高。一些研究的实验数据表明,H.264在信噪比,压缩效率和视觉效果方面,都远远好于现有的其它视频编码标准。H.264采用基于块匹配的运动搜索算法。全搜索算法搜索遍及搜索窗每一个点,计算量太大,搜索速度严重影响了其应用。为了降低H.264编码器的复杂度,人们提出了很多快速搜索算法,有三步搜索法(TSS),二维对数法(TDL),交叉搜索法(CS),最临近搜索法(NNS),共扼方向搜索法(CDS),基于块的梯度下降搜索法(BBGDS)等。本文对常用的几种快速搜索算法进行了改进,增加了部分残差提前退出计算的方法,对已经搜索过的候选点进行标记,对于搜索模板中搜索点选择最优的搜索顺序,因此在保持信噪比损失较小的情况下,进一步提高了搜索速度。除此之外,本文还提出了两种复合型的搜索算法——单形体最小化搜索算法与EPZS改进算法。常用快速算法假设残差曲面是单峰的单调曲面,但是实际上会出现很多多峰的复杂残差曲面情况,因此易落入局部最优的陷阱。单形体最小化搜索算法利用数学中单形体的最优值搜索的思想,在搜索窗的多峰残差曲面上通过反射、扩张和收缩等手段,很好的避免了陷入局部最优,解决了常用快速算法的普遍问题。而且本算法还将EPZS算法中提供的预测矢量集引入进来,使得最初搜索点的初始化对于全局最优点的覆盖可能性大大增加,进一步地避免了落入全局最优的问题。EPZS是一种基于预测运动矢量场的自适应搜索算法,具有三个主要特征:初始预测矢量的选取,自适应中途停止策略,利用不同的搜索模板逐步的自适应改善预测性能。EPZS实现了很好的搜索性能,保持了与全搜索差不多的信噪比,搜索速度提高了200倍左右。但是正是由于EPZS提供了非常丰富的预测矢量集使得对于视频序列中很多空间域或时间域运动很小的块进行了很多无谓的搜索,因此浪费了一定搜索时间。而我们利用时间域预测矢量与空间域预测矢量的特点与关系判断出块运动的特点,特别对于具有较小运动的块进行了快速的跳转搜索,避开了无谓的预测矢量集,因此祛除了很多冗余的搜索时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 视频压缩的必要性
• 1.2 视频压缩的可能性
• 1.2.1 帧内与帧间预测编码
• 1.2.2 利用离散余弦傅立叶变换进行编码
• 1.3 本课题的必要性与研究内容
• 第二章 新一代视频压缩标准H264
• 2.1 视频压缩标准发展过程
• 2.2 主要视频压缩标准简介
• 2.2.1 H.261视频压缩标准
• 2.2.2 H.263视频压缩标准
• 2.2.3 H.263+视频压缩标准
• 2.2.4 H.263++视频压缩标准
• 2.2.5 MPEG专家组制定的标准
• 2.3 H.264视频压缩标准的关键技术
• 2.3.1 H.264的编码器结构
• 2.3.2 H.264所采用的关键技术
• 2.3.2.1 运动估值和运动补偿
• 2.3.2.2 帧内预测
• 2.3.2.3 帧间预测
• 2.3.2.4 整数变换
• 2.3.2.5 变换系数量化
• 2.3.2.6 扫描顺序
• 2.3.2.7 抗块效应滤波器
• 2.3.2.8 熵编码
• 2.3.2.9 新的图像片类型
• 2.3.2.10 算法的分层结构
• 2.3.2.11 面向IP和无线环境
• 第三章 传统快速运动搜索算法的研究与改进
• 3.1 块匹配运动估计
• 3.2 全搜索运动估计
• 3.3 快速块匹配搜索算法的分析与改进
• 3.3.1 三步搜索算法（TSS）
• 3.3.2 其它各种快速搜索算法
• 3.3.2.1 二维对数搜索法（TDL）
• 3.3.2.2 交叉搜索法（CS）
• 3.3.2.3 最邻近搜索法（NNS）
• 3.3.2.4 共扼方向搜索法（CDS）
• 3.3.2.5 基于块的梯度下降搜索法（BBGDS）
• 3.3.2.6 上述其它各种快速搜索算法采用的搜索模板
• 3.3.3 六种改进的快速搜索算法的实验结果与分析
• 3.3.3.1 实验数据
• 3.3.3.2 实验结果分析
• 第四章 单形体最小化搜索算法
• 4.1 快速块匹配运动估计算法各种实现思想与分析
• 4.2 单形体最小化搜索算法
• 4.2.1 块匹配运动估计的最优化问题
• 4.2.2 块匹配运动估计的基本特征
• 4.2.3 单形体最小化思想
• 4.2.3.1 SM思想
• 4.2.3.2 SM思想应用于块匹配运动估计
• 4.2.4 SM思想与JM中的EPZS搜索算法相结合
• 4.2.5 实验结果分析
• 第五章 基于初始运动矢量预判断的EPZS改进算法
• 5.1 EPZS算法的发展历史
• 5.2 EPZS算法的关键技术分析与改进策略
• 5.2.1 预测矢量的选取
• 5.2.2 自适应中途停止策略
• 5.2.3 利用搜索模板对最终的运动矢量进行精确定位
• 5.2.4 基于EPZS算法的初始运动矢量改进
• 5.3 实验结果与分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 传统快速搜索算法
• 6.1.1 快速搜索算法的研究空间
• 6.2 单形体最小化搜索算法（SM）
• 6.2.1 SM算法存在的问题与改进空间
• 6.3 EPZS改进算法
• 6.3.1 EPZS改进算法存在的问题与改进空间
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表