视频压缩中的运动估计和码率控制算法研究

论文摘要

运动估计和码率控制是视频编码系统中的两大关键技术。运动估计算法被用来从已编码的参考帧得到当前编码帧的预测图像,去除视频序列中存在的时间冗余,其搜索速度和精度对于缩短编码时间、提高压缩比和提升图像质量有着重要影响。另一方面,为了在信道上传输压缩视频,需要码率控制算法通过改变编码参数来控制输出码率。同时,码率控制算法对于编码器稳定性的提高和图像质量的提升都起到重要作用。目前的运动估计和码率控制算法大多存在复杂性过高或图像质量不佳等缺点。为了解决这些问题并满足不同应用的要求,本文进行了相关研究。 本论文主要完成的工作如下: 为了满足实时视频通信和嵌入式系统的要求,针对目前大多数运动估计快速算法没有较好地解决算法复杂度和图像质量之间矛盾的缺点,提出了一种基于运动场预测的六边形块运动估计搜索算法。该算法结合“足够好就停止搜索”的思想和六边形搜索模式的高速特性,能快速找到匹配点。并且在块失真度量中使用改进的部分失真准则,进一步降低了算法复杂度。实验结果表明,和菱形算法(DS)、预测运动场自适应搜索算法(PMVFAST)相比,该算法的计算复杂度和搜索点数都有了明显下降;同时,它的图像质量要优于DS算法,和PMVFAST算法相比只有较小的下降。 为了满足对图像质量有高要求的场所的需要,针对大多数快速运动估计算法图像质量有较大下降且现有部分失真算法计算复杂度依然较高的缺点,提出了一种基于运动场预测的部分失真块运动估计搜索算法。该算法提出了一种可调的部分失真准则,并结合了运动场估计技术和中途停止技术,能快速找到匹配点。实验结果表明,它和正规化部分失真搜索算法(NPDS)、分级部分失真搜索算法(PPDS)相比,搜索速度分别加快了2～7倍和0.6～3倍,图像质量也有一定的提高。另外,该算法的图像质量和搜索速度是可调节的。 为了满足低码率视频编码系统的需求,针对支持感兴趣区(ROI)优先编码的码率控制算法存在的ROI提取算法复杂、码流分配不够科学的不足,提出了一种支持ROI优先编码策略的自适应码率控制算法。该算法提出了一种简单有效的ROI提取方法,并根据图像复杂度和运动信息给ROI和非感兴趣区(NROI)分别分配码流;对于ROI的编码范畴,推导出了高低码率的判断准则,使算法可以自适应地

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 视频图像压缩技术概述
• 1.1.1 视频图像压缩的原理
• 1.1.2 视频图像压缩的主要方法
• 1.1.3 视频图像压缩的标准化
• 1.2 视频图像压缩中的两大关键技术
• 1.2.1 运动估计
• 1.2.2 码率控制
• 1.3 本文的内容安排及主要成果
• 第2章 运动估计与码率控制算法
• 2.1 运动估计原理
• 2.1.1 运动估计的基本概念
• 2.1.2 运动表示
• 2.1.3 运动估计准则
• 2.2 运动估计算法的分类
• 2.2.1 全搜索算法
• 2.2.2 分数精度搜索算法
• 2.2.3 分级搜索算法
• 2.2.4 快速搜索算法
• 2.2.5 混和搜索算法
• 2.3 现有快速块运动估计算法分析
• 2.3.1 启发式搜索算法
• 2.3.2 快速匹配算法
• 2.3.3 利用时—空相关性的算法
• 2.3.4 分层或多分辨率快速搜索算法
• 2.3.5 快速穷举搜索算法
• 2.4 码率控制原理
• 2.4.1 视频码流的特点及码率控制的目的
• 2.4.2 信道或存储介质对码流的要求
• 2.5 码率控制算法的分类
• 2.6 现有的经典码率控制算法
• 2.6.1 VM5码率控制算法
• 2.6.2 TMN7码率控制算法
• 2.6.3 TMN8码率控制算法
• 第3章 基于运动场预测的六边形块运动估计搜索算法
• 3.1 引言
• 3.2 快速块运动估计搜索算法
• 3.2.1 MPEG-4校验模型采用的菱形搜索算法（DS）
• 3.2.2 PMVFAST算法
• 3.3 PMVHEXBS算法
• 3.3.1 运动估计算法中的搜索模式
• 3.3.2 本文算法搜索模式的选择
• 3.3.3 视频序列中运动的时空相关性
• 3.3.4 初始搜索点的确定
• 3.3.5 “足够好就停止搜索”思想的应用
• 3.3.6 改进的部分失真准则（MPDC）
• 3.3.7 PMVHEXBS算法的步骤
• 3.3.8 本文算法分析
• 3.4 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 快速高效的部分失真块运动估计搜索算法
• 4.1 引言
• 4.2 经典的部分失真块运动估计算法
• 4.2.1 NPDS算法
• 4.2.2 PPDS算法
• 4.3 PMVPDS算法
• 4.3.1 可调的部分失真准则（APDC）
• 4.3.2 运动矢量的分布特性分析
• 4.3.3 运动场预测技术
• 4.3.4 中途停止技术
• 4.3.5 PMVPDS算法步骤
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 码率控制策略的研究
• 5.1 引言
• 5.2 率失真理论与码率控制
• 5.2.1 对数模型
• 5.2.2 二次率失真模型
• 5.2.3 指数模型
• 5.2.4 分段模型
• 5.3 支持ROI优先编码策略的自适应码率控制算法
• 5.3.1 算法基本框架
• 5.3.2 跳帧算法
• 5.3.3 帧层的码率控制算法
• 5.3.4 ROI的提取与宏块排序
• 5.3.5 ROI和NROI码流的确定
• 5.3.6 高低码率模型的自适应选择
• 5.3.7 宏块层的码率控制算法
• 5.3.8 宏块层码率控制算法的步骤
• 5.3.9 实验结果与分析
• 5.4 基于率失真理论的低复杂度码率控制算法
• 5.4.1 基于率失真理论的模型建立
• 5.4.2 跳帧算法
• 5.4.3 帧层的码率控制算法
• 5.4.4 宏块层的码率控制算法
• 5.4.5 宏块层码率控制算法的步骤
• 5.4.6 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间完成的学术论文
• 致谢