视频压缩编码运动估计算法研究与实现

论文摘要

运动估计是视频压缩编码中最为关键的技术之一,主要目的是获取视频序列中相邻帧之间的运动信息,从而去除帧间的冗余信息,实现视频数据有效压缩的目的,以便于视频存储与传输。然而,在视频编码中运动估计所需的计算量较大,约占压缩编码计算量的80%。快速高效的运动估计算法成为视频压缩编码研究中的一个热点问题。基于块匹配的估计方法是应用较为广泛的运动估计方法之一,由于简单易实现而被视频编码国际标准采纳。为了有效提高块匹配运动估计的性能,本文对运动估计的搜索起点、搜索模型和搜索策略等相关技术进行了研究,其主要内容包括以下几个方面:根据序列帧内相邻块之间运动矢量的相关性,提出了基于相邻块运动矢量信息的分类预测方法。该方法根据当前块的左、上和右上相邻块的运动矢量信息确定当前块的运动类型以及在序列图像中所处的运动区域,即背景、运动对象及其边界三个区域;根据当前块的运动类型,分别选取左、上和右上相邻块,以及原点4点运动矢量的不同组合进行预测;通过选取不同运动矢量,计算、比较当前块在不同运动矢量下与参考块的绝对差和(SAD)的大小,从而确定预测初始搜索点。将预测结果与全搜索算法所获得的运动矢量进行统计对比和分析,发现预测的运动矢量到“真实”运动矢量的距离比其他预测方法要短,加快了搜索速度。根据预测点与“真正”运动矢量之间位置的统计分布,提出了不同预测类型的运动矢量搜索采用不同的搜索模型和搜索策略。在模型选择上,对于预测初始搜索点距离“真实”运动较近的运动矢量,先使用小模板搜索,而对于初始搜索点距离“真实”运动较大的运动矢量则先使用大模板搜索。在搜索策略上,提出了一种改进的自适应十字运动估计搜索算法。该算法对于较小或中等的运动矢量先使用两次小十字(SCSP)模板进行搜索,若不能获得最佳运动矢量,再使用臂长变化的自适应大十字(ARPS)模板进行搜索。实验测试的结果表明该算法不仅提高了图像的恢复质量,而且加快了搜索速度。根据MPEG4的原型Xvid的编码特点,在保留其它编码模块的基础上,将改进的自适应十字运动估计搜索算法进行了移植和具体实现。为了降低实现的复杂性,将算法中的自适应大十字模型修改为非对称十字模型,从而给出了非对称十字搜索算法;实验结果与统计分析表明,利用具有方向性的非对称十字模板进行搜索,更加符合现实图像序列的运动特点。通过对实现的编码系统进行测试分析,结果表明,该算法相比其它运动估计算法,在保持图像质量不变的情况下,编码速度可以提高15~30%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 视频压缩编码标准及其发展历程
• 1.3 视频压缩编码中运动估计技术
• 1.4 块匹配运动估计的研究现状
• 1.5 本文的工作
• 第2章 基于对象的视频编码标准MPEG-4
• 2.1 MPEG-4 的技术特点
• 2.2 核心思想
• 2.3 MPEG-4 视频编码过程及关键技术
• 2.3.1 MPEG-4 视频编码过程
• 2.3.2 运动估计相关关键技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 块匹配运动估计技术
• 3.1 块匹配运动估计算法介绍
• 3.1.1 块匹配运动估计的基本原理
• 3.1.2 提高搜索效率的主要技术
• 3.2 块匹配运动估计搜索策略
• 3.3 实验及结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 改进的自适应十字模型搜索运动估计算法
• 4.1 预测模型和搜索策略
• 4.2 早期搜索终止
• 4.3 算法流程及详细步骤
• 4.4 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 预测非对称十字搜索运动估计算法实现
• 5.1 Xvid 的编码框架
• 5.2 Xvid 中运动估计
• 5.3 基于分区域预测的非对称十字搜索运动估计
• 5.3.1 预测模型
• 5.3.2 提前终止策略
• 5.3.3 搜索策略
• 5.4 分区域预测的非对称十字搜索运动估计算法在Xvid 中的实现
• 5.5 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 全文工作总结
• 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读学位期间发表的论文）