關(guān)于運動(dòng)估計快速搜索算法的研究的論文
摘要：h.264是itu-t的vceg(視頻編碼專(zhuān)家組)和iso／iec的mpeg(活動(dòng)圖象編碼專(zhuān)家組)的聯(lián)合視頻組(jvt：joint videoteam)開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數字視頻編碼標準，它既是itu-t的h.264，又是1so／iec的mpeg-4的第10部分。新一代標準h.264可以得到更好的壓縮圖像效果、擁有更多的功能和更大的靈活性。本文主要從實(shí)時(shí)視頻應用的角度，對h 264／avc編碼過(guò)程中運動(dòng)估計模塊快速搜索算法進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：視頻編碼 h 264／avc 運動(dòng)估計 快速搜索算法
隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì )的不斷進(jìn)步，人類(lèi)對信息的需求越來(lái)越豐富，人們希望無(wú)論何時(shí)何地都能夠方便的、快捷、靈活的通過(guò)語(yǔ)音、數據、圖像與視頻等多種方式進(jìn)行通信。數字信號處理技術(shù)、物理媒體與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、超大規模集成電路技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使得多媒體通信成為研究和應用的熱點(diǎn)。本文主要是針對視頻壓縮中的運動(dòng)估計快速搜索算法的研究。視頻壓縮后的數據流大小的關(guān)鍵因素在于能否較好的去除其時(shí)間相關(guān)性，尋找到最佳的匹配塊。
1.h.264／avc概述
與早期的視頻編碼標準(h.261，mpeg-1，mpeg-2，h.263，mpeg-4)類(lèi)似，h.264／avc也是建立在塊匹配的混合編碼框架上�；舅惴ㄒ廊皇峭ㄟ^(guò)幀間預測和運動(dòng)補償來(lái)消除視頻序列中的時(shí)域冗余，經(jīng)過(guò)變換編碼消除頻域冗余。因此基本的功能模塊：例如預測、變換、量化、編碼都沒(méi)有發(fā)生根本的變化。
2.運動(dòng)估計原理
2.1運動(dòng)估計概述
在基于塊匹配的混合視頻編碼體系中，運動(dòng)搜索是其中計算復雜性最高的模塊。h.264／avc為了獲得更精確的預測和更高的壓縮比，采用了多種塊模式的運動(dòng)估計，多參考幀和更高分辨率的運動(dòng)矢量。雖然這樣可以增加預測的精度，提高壓縮比，但h.264／avc中運動(dòng)估計的計算復雜性卻因此急劇增加。
運動(dòng)搜索快速算法的實(shí)質(zhì)是基于某種策略在減少搜索點(diǎn)數提高搜索效率的同時(shí)，盡可能保持編碼圖像質(zhì)量不變(與fs的情況相比)。但簡(jiǎn)單的減少搜索點(diǎn)數的算法(例如tts，2-d對數等快速算法)通常都假設匹配誤差曲面是單峰的，而實(shí)際的視頻圖像是非常復雜的，常常不能滿(mǎn)足這樣的假設，因此容易在搜索起始階段落入局部最小點(diǎn)。為解決局部最小點(diǎn)的問(wèn)題，通�？梢圆捎孟噜弶K預測的方法獲得更好的搜索起點(diǎn)。但有些情況下特別是在運動(dòng)復雜度高的序列中，相鄰塊會(huì )包含與當前塊不同的運動(dòng)對象，因此也會(huì )產(chǎn)生錯誤的運動(dòng)矢量。更好的策略是采用覆蓋整個(gè)搜索區域的全局搜索(global search)的概念，即搜索點(diǎn)在整個(gè)搜索區域的稀疏網(wǎng)格上選擇。雖然這種策略增加了搜索點(diǎn)數，但可以有效的避免在搜索起始階段落入局部最小點(diǎn)以及可能的錯誤起始點(diǎn)預測。
2.2運動(dòng)搜索的步驟
最佳匹配塊的確定是通過(guò)運動(dòng)搜索來(lái)實(shí)現的，運動(dòng)搜索包含整數運動(dòng)搜索和小數運動(dòng)搜索，具體的流程圖如圖2.1所示：
2.2.1參考幀的選取
在h.264協(xié)議中，定義了三種基本的幀類(lèi)型，即i、p、b幀類(lèi)型，其中i幀只能作為其他幀的參考幀，它本身在編碼的時(shí)候，幀內宏塊根據已經(jīng)編編碼的相鄰塊的數據來(lái)編碼，不參考其它幀；p幀在編碼的時(shí)候，只能參考在時(shí)間軸上靠前的幀，包括之前已經(jīng)編碼的i幀以及p幀，即前向預測；b幀則可以雙向預測，它的參考幀可以是時(shí)間上“過(guò)去”的幀。也可以是時(shí)間上“將來(lái)”的幀，它的參考幀也可以是i幀以及p幀，b幀只能參考其它幀，其本身不能作為其他幀的參考幀，所以他不會(huì )引起預測誤差擴散。在具體的編碼中，當遇到b型幀時(shí)，先把它讀到緩存中，編碼后面的p幀，當前后的參考幀都被編碼以后，再編碼b幀。在解碼端，當解碼解到b幀時(shí)，則先將它讀入緩存，待到解碼完它后面的p幀，再解碼b幀。
2.2.2預測運動(dòng)向量的獲取
如果對每個(gè)塊的運動(dòng)矢量進(jìn)行編碼，那么將花費相當數目的比特數，特別是在選擇小尺寸的塊的情況下。由于一個(gè)運動(dòng)物體會(huì )覆蓋多個(gè)分塊，所以空間域相鄰塊的運動(dòng)矢量具有很強的相關(guān)性。因此，每個(gè)運動(dòng)矢量可以根據臨近先前已編碼的塊進(jìn)行預測，預測得到的運動(dòng)矢量用mvp表示，當前矢量和預測矢量之間的差值用mvd表示。同時(shí)由于物體運動(dòng)具有連續性，運動(dòng)矢量在時(shí)間域也存在一定的相關(guān)性，因此也可以用臨近參考幀的運動(dòng)矢量來(lái)進(jìn)行預測。
2.2.3搜索范圍的確定
當獲取了預測運動(dòng)向量以后，在參考幀中找到當前塊的對應塊，此點(diǎn)即對應運動(dòng)向量(o，o)，并以此為基點(diǎn)，向其上下左右擴出運動(dòng)搜索范圍大小，此即我們需要的運動(dòng)搜索范圍。
搜索區域的選擇一般是相對于當前塊對稱(chēng)得，左邊和右邊各有d個(gè)像素，上邊和下邊各有d個(gè)像素。
3.一種新的運動(dòng)估計快速搜索算法
這些年來(lái)，許多的快速搜索算法都被提了出來(lái)，其中比較好的有三步法，四步法，菱形搜索法等等，它們與全搜索算法相比節省了大量的運動(dòng)時(shí)間�？墒沁@些算法中大部分不論在水平還是在垂直方向上都是規則對稱(chēng)的.，三步法和四步法等等都是如此，但是在實(shí)際的運動(dòng)圖像當中都是水平方向的運動(dòng)要遠比垂直方向的運動(dòng)要劇烈的多，這是因為對于一個(gè)以常見(jiàn)的現實(shí)世界為內容的視頻序列來(lái)說(shuō)，它的前后幀之間的差異來(lái)源主要有兩個(gè)方面：視頻目標的運動(dòng)和視頻獲取設備的運動(dòng)。視頻目標的常見(jiàn)運動(dòng)集中在水平方向，如汽車(chē)和火車(chē)的行駛，行人在路上走等；而攝像機的運動(dòng)一般以平動(dòng)和水平轉動(dòng)為主，所以運動(dòng)向量就應該是以水平方向的運動(dòng)向量為主。
從運動(dòng)向量的搜索過(guò)程中我們可以得知，后步的搜索都是建立在前一步的基礎上的，每一步都為下一步指出了運動(dòng)向量所在的大致方向，而運動(dòng)向量又是以水平方向的運動(dòng)向量為主，所以本算法中第一步以偏水平方向的十字搜索模板作為搜索基礎。
基于偏水平十字及偏向雙鉆石搜索算法(dhcdds)主要是將兩種搜索模版相結合盡可能的以最小的搜索時(shí)間準確的確定最佳匹配點(diǎn)，一種是偏水平十字型搜索模板，另一種是偏向雙鉆石搜索模板，其中第一個(gè)偏水平十字搜索模板主要是根據視頻圖像的運動(dòng)變化主要是集中在水平方向上的特點(diǎn)來(lái)初步確定搜索的基本位置，第二個(gè)偏向雙鉆石搜索模板是根據偏水平十字搜索模板的初步定位，進(jìn)一步使用搜索效果比較理想的雙鉆石搜索模板來(lái)確定當前最佳匹配點(diǎn)，直到當前最佳匹配點(diǎn)在中心點(diǎn)或偏中心點(diǎn)才結束搜索過(guò)程，然后通過(guò)比較幾個(gè)候選點(diǎn)的sad值的大小來(lái)確定最佳匹配點(diǎn)的位置。該快速運動(dòng)估計搜索算法所要搜索的點(diǎn)數較少，提高了編碼效率。
4.結語(yǔ)
本文主要對于視頻壓縮中的運動(dòng)估計快速搜索算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。視頻壓縮后的數據流大小的關(guān)鍵因素在于能否較好的去除其時(shí)間相關(guān)性，尋找到最佳的匹配塊。實(shí)驗表明在信噪比和比特率變化很小的情況下，搜索時(shí)間大為縮短。文中提出的算法僅僅采用了搜索模板的改變來(lái)提升搜索速度，相信再結合其他提升搜索速度的辦法，比如說(shuō)提前終止技術(shù)等，就能在此基礎上進(jìn)一步的提高搜索速度。由于運動(dòng)估計占了h.264編碼時(shí)間中的大部分，所以運動(dòng)估計搜索速度的提高對于h.264的編碼效率是很重要的。
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