基于群智能优化的运动估计算法研究

论文摘要

随着当今视频技术的飞速发展,新的视频编码标准陆续提出,并得到广泛的应用。运动估计是视频编码系统的一个重要组成部分,可以有效去除视频序列相邻图像间存在的时间冗余,极大提高编码效率。然而运动估计庞大的计算量大大增加了视频编码系统的运算复杂度,因此寻找简单高效的快速运动估计算法一直是视频编码领域的研究热点。同时,新的视频编码标准中采用的新技术使得运动估计算法又面临新的挑战。如何有效的将快速运动估计算法和这些新技术结合,提高编码性能,是目前针对运动估计算法研究的重点。本文针对现有的快速运动估计算法的局限性,深入研究了群智能优化技术中的粒子群优化和生物地理分布优化,同时对H.264/AVC视频编码标准和可分级视频编码标准中的新技术进行了深入研究,主要的研究内容及创新点如下:1)提出了基于变异粒子群的快速运动估计算法。在粒子群迭代过程中加入变异操作,防止粒子群进化停滞,增加搜索能力。在利用粒子群算法进行全局搜索的同时,有效结合运动矢量的特性,选取合适的粒子种群,采用适当的终止策略,降低运算复杂度。2)提出了基于单纯形粒子群优化的快速运动估计算法。在基于变异粒子群的快速运动估计算法基础上,利用单纯形优化的局部搜索性能扩展搜索能力,克服粒子群进化的早熟收敛缺陷,进一步提高搜索精度。3)提出了基于混沌的生物地理分布优化算法。针对生物地理分布优化算法早熟收敛的缺陷,利用混沌初始化种群,提高种群的遍历性,同时在迭代过程中加入混沌搜索,有效避免陷入局部最优,提高全局搜索能力。4)提出了基于生物地理分布优化的快速运动估计算法。利用生物地理分布优化算法优越的全局优化能力和混沌算法精细的局部搜索能力,有效结合运动矢量的特性,选取合适的初始种群,采用相同点检查和适当的终止策略,提高搜索精度降低运算复杂度。5)提出了H.264/AVC编码标准中基于生物地理分布优化的自适应快速运动估计算法。根据H.264/AVC中运动估计的新技术,结合H.264/AVC编码特点和生物地理分布优化特性,采用自适应搜索策略、动态搜索范围技术和自适应提前终止策略,在保证编码器原有失真度的前提下,节省运动估计的搜索时间,提高整体编码效率。6)提出了可分级视频编码标准中针对增强层的自适应快速运动估计算法。根据可分级视频编码中的层间预测技术,结合可分级编码标准的编码特点,充分利用增强层和基本层的相关性,选择合适的增强层的预测运动矢量,适当调整增强层的搜索策略和搜索范围,根据层间残差预测特点进一步调整运动估计步骤,在保持增强层的率失真性能的同时,降低增强层的编码复杂度,提高整体编码效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 视频编码概述
• 1.1.2 运动估计概述
• 1.2 国内外研究热点和现状
• 1.2.1 运动估计算法的发展现状
• 1.2.2 运动估计算法面临的主要问题
• 1.2.3 群智能优化技术及发展现状
• 1.3 论文主要研究成果与内容结构
• 1.3.1 论文主要研究成果
• 1.3.2 论文内容结构
• 第二章 基于粒子群优化的运动估计算法
• 2.1 粒子群优化算法简介
• 2.2 基于变异粒子群优化的快速运动估计算法
• 2.2.1 初始粒子种群和粒子适应度函数的选择
• 2.2.2 变异操作
• 2.2.3 终止策略设计
• 2.2.4 算法描述
• 2.3 基于单纯形粒子群优化的快速运动估计算法
• 2.3.1 引入单纯形优化
• 2.3.2 粒子群优化运动估计中的单纯形搜索
• 2.3.3 算法描述
• 2.4 实验结果及分析
• 2.4.1 参数选择分析
• 2.4.2 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于生物地理分布优化的运动估计算法
• 3.1 生物地理分布优化算法简介
• 3.1.1 迁徙操作
• 3.1.2 变异操作
• 3.1.3 算法流程
• 3.2 基于混沌的生物地理分布优化算法
• 3.2.1 引入混沌优化
• 3.2.2 混沌映射
• 3.2.3 混沌初始化和混沌搜索
• 3.2.4 算法描述
• 3.2.5 实验结果及分析
• 3.3 基于生物地理分布优化的快速运动估计算法
• 3.3.1 初始岛屿群和岛屿适应度函数的选择
• 3.3.2 迁徙和变异操作
• 3.3.3 混沌优化搜索
• 3.3.4 相同点检查和终止策略
• 3.3.5 算法描述
• 3.3.6 实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 H.264/AVC 视频编码中的快速运动估计算法
• 4.1 H.264/AVC 中运动估计的新技术
• 4.2 H.264/AVC 中采用的快速运动估计算法
• 4.2.1 UMHexagonS 算法
• 4.2.2 EPZS 算法
• 4.2.3 算法性能分析
• 4.3 H.264/AVC 中基于生物地理分布优化的自适应快速运动估计算法
• 4.3.1 初始岛屿群的改进
• 4.3.2 岛屿适应度函数的改进
• 4.3.3 自适应搜索策略
• 4.3.4 动态搜索范围
• 4.3.5 自适应提前终止
• 4.3.6 算法描述
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 实验环境和基本条件
• 4.4.2 算法性能比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 可分级视频编码中的快速运动估计算法
• 5.1 可分级视频编码中的层间预测技术
• 5.1.1 层间运动预测
• 5.1.2 层间残差预测
• 5.1.3 层间帧内预测
• 5.1.4 层间预测性能分析
• 5.2 可分级视频编码中的运动估计特点
• 5.2.1 空域增强层的运动估计特点
• 5.2.2 可分级视频编码中采用的 TZSearch 运动估计算法
• 5.3 空域可分级中基于层间预测的快速运动估计算法
• 5.3.1 增强层中预测运动矢量的选择
• 5.3.2 增强层中运动估计的搜索策略和范围的调整
• 5.3.3 结合层间残差预测的调整
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 实验环境
• 5.4.2 算法性能比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果