视频编码标准中运动估计技术研究

论文摘要

进入二十一世纪,视频编码技术取得了重大的进步,以H.264/AVC标准为代表的新一代视频编码标准,在当前主要视频应用领域内,相对于已经得到广泛应用的MPEG-2视频编码标准,编码效率提升了一倍以上。在此基础上,近年来学术界和工业届的研究力量,继续将着眼点投向下一代视频编码技术的研究中,以期望在新的视频应用中进一步推动视频技术的发展。在各个新近制定完成的视频编码标准以及目前正在进行的新标准的研究工作中,运动估计技术扮演了相当重要的角色。它是消除视频信号冗余,提高编码效率的关键技术之一。然而,实现该技术所需要的海量块匹配操作,也给编码器带来了极大的计算复杂度。正因为如此,针对运动估计技术的研究,始终是热点的研究课题。在以H.264/AVC为代表的新视频编码标准制定完成之后,许多基于该标准的优秀运动估计算法相继被提出,并达到了编码质量和编码速度的良好折中。然而,随着视频编码技术面向的应用领域不断拓宽,原有的运动估计算法,在不同的视频信源特性和新的编码条件下,可能在编码性能或编码速度上会产生较为明显的下降。本论文通过对运动估计相关技术的深入研究,详细分析了运动估计的设计原理,并以此为基础提出了新的运动估计算法,以解决原有运动估计算法在新环境中性能下降的问题。首先,通过理论分析和实验证明,指出了原有运动估计算法在设计上存在的不足,并由此提出了一个自适应的提前截止阈值算法——UMHS,简单有效的解决了原有算法在不同量化参数和视频分辨率的编码条件下编码性能和编码速度不稳定的问题;其次,通过对自适应插值滤波器技术实现过程的分析,总结了两次编码过程中存在的计算冗余度,并提出了一种为自适应插值滤波器技术设计的改进的运动估计算法——POME,大大降低了该技术的额外实现复杂度;最后,在多视视频编码条件下,分析了视差估计区别于运动估计的的特殊之处,总结了视差产生的原因和分布规律,根据视差矢量分布的规律,提出了一种视间搜索范围大小预测算法——IUSWP,通过非对称搜索窗设计,极大程度地降低了进行视差搜索所需要的计算复杂度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 视频编码标准的发展及现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 国际标准H.264/AVC 的发展简介
• 1.3 运动估计（运动补偿）在现代视频编码技术中的主要特点
• 1.3.1 亚象素精度插值与搜索技术
• 1.3.2 多参考帧技术
• 1.3.3 块尺寸可变技术
• 1.4 论文各部分主要内容
• 第2章 运动估计技术的研究现状及面临的问题
• 2.1 概述
• 2.2 运动估计及各项技术简介
• 2.2.1 运动估计定义
• 2.2.2 代价函数设计
• 2.2.3 计算结果复用
• 2.2.4 搜索范围预测
• 2.2.5 运动矢量预测
• 2.2.6 搜索模式设计
• 2.2.7 提前截止设计
• 2.3 基于H.264/AVC 的典型运动估计算法及其性能分析
• 2.3.1 Fast Full Search 算法
• 2.3.2 UMHexagonS+CBFPS 算法
• 2.3.3 EPZS 算法
• 2.4 运动估计算法设计面临的新挑战
• 2.4.1 算法的复杂度分析与优化
• 2.4.2 从低码率视频编码到高码率视频编码
• 2.4.3 运动估计与模式选择
• 2.4.4 从单视视频序列到多视视频序列
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于H.264/AVC 运动估计算法的研究
• 3.1 运动矢量预测技术的研究
• 3.1.1 不同分辨率下运动矢量预测效率
• 3.1.2 运动矢量预测的额外开销
• 3.2 搜索点数与搜索时间的关系
• 3.3 匹配误差统计特性与提前截止
• 3.3.1 不同编码条件下匹配误差统计特性
• 3.3.2 不同编码条件下提前截止性能分析
• 3.3.3 自适应提前截止设计思想
• 3.4 运动估计与模式选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 自适应提前截止阈值设计
• 4.1 提前截止阈值设计
• 4.2 提前截止点的选择与UMHS 算法描述
• 4.2.1 整象素搜索中提前截止点的选择
• 4.2.2 亚象素搜索中提前截止点的选择
• 4.2.3 多阈值效应分析
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 实验环境及基本条件
• 4.3.2 UMHS 算法在低码率测试条件下的性能
• 4.3.3 UMHS 算法在不同量化参数下的性能
• 4.3.4 UMHS 算法的综合性能分析
• 4.3.5 改进方法的进一步拓展
• 4.4 本章小结
• 第5章 自适应插值滤波器技术中的运动估计算法研究
• 5.1 固定及自适应滤波器技术简介
• 5.2 自适应插值滤波器技术的复杂度分析
• 5.3 用于自适应插值滤波器技术的准一次运动估计算法（POME）
• 5.3.1 第一遍运动估计过程
• 5.3.2 第二遍运动估计过程
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 实验环境及基本条件
• 5.4.2 编码性能及编码速度对比
• 5.4.3 关于运动矢量预测效率的讨论
• 5.4.4 关于模式选择的讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 多视视频编码中的运动估计算法研究
• 6.1 多视视频编码简介
• 6.2 多视视频编码中运动估计的特点及面临的问题
• 6.3 视间非对称搜索窗预测算法（IUSWP）
• 6.3.1 视差矢量的存储与更新
• 6.3.2 当前区域视差状态决策
• 6.3.3 减小搜索范围策略
• 6.4 实验结果及分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果