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基于H.264視頻壓縮快速運(yùn)動的估計算法
時間:2021-12-09 10:22:04

0 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347725.htm

H.264采用了減少視頻圖像各幀間冗余度的運(yùn)動估計算法。運(yùn)動估計算法傳統(tǒng)的有全搜索(FS)、三步搜索(TSS)、新三步搜索(NTSS)、四步搜索(FSS)等;常用的是鉆石搜索(DS)和非對稱十字交叉多層次六邊形格點(diǎn)運(yùn)動搜索算法(UMHexagonS)。運(yùn)動估計是整個視頻編碼中運(yùn)算量最大的模塊,可占整個軟件編碼器運(yùn)算量的70%以上。因此視頻系統(tǒng)中編碼器的復(fù)雜部分取決于運(yùn)動估計算法體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

1 運(yùn)動估計算法分析

1.1 鉆石搜索(DS)算法

DS算法即鉆石搜索算法,被MPEG-4國際標(biāo)準(zhǔn)采用并收入驗證模型VM(Verification Model)中,是MPEG-4建議采用的快速運(yùn)動估計算法。 DS算法采用了兩種搜索模板,分別是有9個檢測點(diǎn)的大模板和有5個檢測點(diǎn)的小模板。搜索時先用大模板LDSP在搜索區(qū)域中心及周圍8個點(diǎn)處進(jìn)行匹配計算,當(dāng)最小塊誤差出現(xiàn)在中心點(diǎn)處時,將大模板LDSP換為SDSP,再進(jìn)行匹配計算,這時5個點(diǎn)中的MBD(Minimum Block Distortion)即為最優(yōu)匹配點(diǎn);否則,改變中心位置,仍用LDSP重復(fù)計算。

1.2 菱形十字搜索(DCS)算法

菱形十字搜索算法(DCS)算法是在DS算法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,DCS的匹配模板是建立在兩種不同的搜索模板之上的,即大菱形十字型(LDCSP)和小菱形十字型(SDCSP),如圖1所示。其中,十字型可以對應(yīng)于實(shí)際的運(yùn)動的矢量分布,而交叉型則是為了加速搜索效果。

DCS算法在進(jìn)行運(yùn)動估計匹配運(yùn)算時,有三種可能的情況:

(1)若MBD點(diǎn)位于LDCSP中心位置,說明圖像是靜止的,DCS算法一步結(jié)束;

(2)若MBD點(diǎn)位于LDCSP小十字位置,說明圖像的運(yùn)動較小,則在此基礎(chǔ)上按照SDCSP模板反復(fù)進(jìn)行交叉搜索。

(3)若MBD點(diǎn)位于LDCSP大十字位置,說明圖像的運(yùn)動較大,則在此基礎(chǔ)上按照LDCSP模板反復(fù)進(jìn)行交叉搜索。

由此可以看出,DCS算法的優(yōu)點(diǎn)是,可以根據(jù)圖像的運(yùn)動類型(如上述三種情況),白適應(yīng)選擇下一步相應(yīng)的搜索模板,使搜索與圖像內(nèi)容有關(guān)(基于內(nèi)容的搜索),從而得到較好的搜索效果;DCS算法的搜索并不一定要經(jīng)歷模板由大到小的必然過程,有時一步即可完成搜索;用DCS搜索時,十字形模板對應(yīng)于實(shí)際的運(yùn)動矢量分布,交叉形模板則有準(zhǔn)確性“聚焦”特性,這從本質(zhì)上體現(xiàn)了DCS是粗定位和準(zhǔn)確定位的有效結(jié)合。

Script type=text/javascript> function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小防止撐破表格 { var w =$(Id).width; var m = 650; if(w m){return;} else{ var h = $(Id).height; $(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function() { var Imgs = $(content).getElementsByTagName(img); var i=0; for(;i  視頻圖像的運(yùn)動矢量大部分為零矢量或運(yùn)動很小的矢量。運(yùn)動矢量為零的塊稱為靜止塊;運(yùn)動矢量很小的塊(以搜索窗口中心為圓心,兩像素為半徑的圓內(nèi))稱為準(zhǔn)靜止塊:而其他的稱為運(yùn)動塊。如果有超過80%運(yùn)動矢量很小的塊可被看作靜止或準(zhǔn)靜止塊。因此,可設(shè)一個閥值T,當(dāng)運(yùn)動矢量的值小于T時,可用SDCSP搜索法直接進(jìn)行精確定位,找出最優(yōu)點(diǎn);當(dāng)運(yùn)動矢量的值大于T時,可用LDCSP搜索算法找出最優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)動矢量空間域的預(yù)測方式有運(yùn)動矢量中值預(yù)測、空間域的上層塊模式運(yùn)動矢量;在時間域的預(yù)測方式有前幀對應(yīng)塊運(yùn)動矢量預(yù)測和時間域的鄰近參考幀運(yùn)動矢量預(yù)測。本文采用運(yùn)動矢量中值預(yù)測方式。根據(jù)與當(dāng)前E塊相鄰的左邊A塊,上邊B塊和右上邊C塊的運(yùn)動矢量,取中值作為當(dāng)前塊的預(yù)測運(yùn)動矢量。如圖2所示。

設(shè)當(dāng)前要編碼塊E的運(yùn)動矢量為MVp。如果運(yùn)動矢量的值MVp≥T,則與E塊相鄰的各塊間運(yùn)動的相關(guān)性較高,表明該區(qū)域的變化比較平緩;如果運(yùn)動矢量的值MVpT,則與E塊相鄰的各塊間運(yùn)動的相關(guān)性較低,表明該區(qū)域變化比較劇烈。通過對missa、grandmother、carphone、salesman的檢測可知,取閾值T=2。3 自適應(yīng)運(yùn)動估計算法結(jié)合上述DCS算法和閾值的確定,可采取先對視頻圖像的運(yùn)動塊進(jìn)行閾值的判斷,再根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行最佳匹配塊的搜索。具體搜索步驟描述如下:  Step 1:判斷當(dāng)前塊運(yùn)動矢量MVp和閾值確大小。若MVp≥T,則進(jìn)入Step 2;若MVpT,則進(jìn)入Step 5。

Step 2:用LDCSP在搜索區(qū)域中心及周圍8個點(diǎn)進(jìn)行匹配運(yùn)算,然后判斷,找出MBD點(diǎn)。若MBD點(diǎn)位于中心點(diǎn),說明宏塊是靜止的,DCS算法一步結(jié)束,得到最優(yōu)匹配塊;否則進(jìn)行Step 3。  Step 3:若MBD點(diǎn)為LDCSP模版的小十字處,以該點(diǎn)為中心構(gòu)建SDCSP進(jìn)行匹配計算,若MBD點(diǎn)位于中心點(diǎn),所得MBD點(diǎn)為所求。否則,進(jìn)入Step 4。  Step 4:若MBD點(diǎn)為LDCSP模版的大十字處,以該點(diǎn)為中心構(gòu)建LCSP進(jìn)行匹配計算,進(jìn)入step 2?! tep 5:用LDCSP在搜索區(qū)域中心及周圍5個點(diǎn)進(jìn)行匹配運(yùn)算,然后判斷,找出MBD點(diǎn)。若MBD點(diǎn)位于中心點(diǎn),所得MBD點(diǎn)為所求;否則繼續(xù)Step 5。

算法流程圖如圖3所示

type=text/javascript> function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w =$(Id).width; var m = 650; if(w m){return;} else{ var h = $(Id).height;$(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function(){ var Imgs = $(content).getElementsByTagName(img); var i=0; for(;i4 實(shí)驗結(jié)果及說明用搜索時間和PSNR值兩個指標(biāo)來驗證DCS的性能。本節(jié)實(shí)驗用到的所有視頻文件均為QCIF(Quartet commonintermediate format)格式。實(shí)驗以主頻1.8GHz的PC機(jī)上運(yùn)行的VisualC++6.0為平臺。測試對象為:missa、salesman、news、grandmother、foreman、carphone、claire,搜索范圍為16×16的矩形框,量化范圍為2~12,測試序列中每幀圖像的大小為176×144。4.搜索時間的比較為了時間測試的準(zhǔn)確性,測試時采用的是VC++提供的兩個精確時間函數(shù):QueryPerformanceFrequency()和OuerPerformanceCounter()精度對標(biāo)準(zhǔn)測試序列missa、salesman、news、grandmother、foreman、carphone進(jìn)行精確測定,得表1(數(shù)據(jù)均為三次測量所求得的平均值)。

實(shí)驗結(jié)果及說明

用搜索時間和PSNR值兩個指標(biāo)來驗證DCS的性能。本節(jié)實(shí)驗用到的所有視頻文件均為QCIF(Quartet commonintermediate format)格式。實(shí)驗以主頻1.8GHz的PC機(jī)上運(yùn)行的VisualC++6.0為平臺。測試對象為:missa、salesman、news、grandmother、foreman、carphone、claire,搜索范圍為16×16的矩形框,量化范圍為2~12,測試序列中每幀圖像的大小為176×144。

4.1 搜索時間的比較

為了時間測試的準(zhǔn)確性,測試時采用的是VC++提供的兩個精確時間函數(shù):QueryPerformanceFrequency()和OuerPerformanceCounter()精度對標(biāo)準(zhǔn)測試序列missa、salesman、news、grandmother、foreman、carphone進(jìn)行精確測定,得表1(數(shù)據(jù)均為三次測量所求得的平均值)。

從表1可知:a.FS搜索效果最佳,但耗時太長;DS算法有較大改進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時壓縮;DCS比DS,運(yùn)行時間都有不同程度的減少,故DCS算法 在搜索速度有優(yōu)勢。b.從單個序列來看,DCS算法對missa和salesman時間優(yōu)化最為顯著,分別只占FS算法的7.42%、7.50%和DS算 法的98.17%、97.49%;對carphone序列的搜索速度也有很大優(yōu)化,占FS搜索算法的7.97%和DS算法的97.82%。綜合視頻特性可 知:DCS算法針對運(yùn)動平緩的視頻對象搜索速度優(yōu)化明顯。

4.2 信噪比的比較

對標(biāo)準(zhǔn)測試序列claire和carphone序列進(jìn)行測定,計算PSNR得表2。

表 2中FS的平均PSNR最高,達(dá)到42.38,但搜索時間最長;DS的PSNR最低,為42.31,而DCS為42.35,高于DS算法,且僅低于FS算 法0.03dB。從單個序列來看,DCS算法對claire的優(yōu)化程度最大,超過了FS的PSNR值,說明DCS算法身體靜止僅面部表情運(yùn)動特點(diǎn)視頻適 用。用DCS算法計算得到的carphone的PSNR值雖然低于FS算法,但高于DS算法;missa序列的DCS算法的PSNR值和FS、DS法的相 差不大。故DCS算法在搜索速度、圖像質(zhì)量上均有保證。

5 結(jié)束語

本文從搜索時 間和圖像質(zhì)量兩方面對各種塊匹配運(yùn)動估計算法進(jìn)行了性能分析比較。實(shí)驗結(jié)果表明,將菱形十字交叉搜索算法和閾值判斷結(jié)合,在搜索速度方面,有很大程度的優(yōu)化,而且能得到與FS、DS搜索算法相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量。DCS算法針對運(yùn)動平緩的視頻作用明顯,由此推知該算法適用于電視電話、遠(yuǎn)程教育等實(shí)時視頻壓縮。

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