H．264視頻壓縮快速運(yùn)動估計算法分析

H．264是現(xiàn)有最重要數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)之一。

快速運(yùn)動估計算法一直是視頻壓縮中的研究熱點(diǎn)。本文針對一些快速估計算法過早確定了搜索方向，容易陷入局部最小點(diǎn)，損失了搜索精度的情況，在原有基礎(chǔ)上，運(yùn)用菱形十字搜索算法(DCS)與閾值估計相結(jié)合的方法提高了運(yùn)動估計的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以用較小的搜索代價取得與全搜索(FS)相當(dāng)?shù)男Ч?，并且在搜索速度方面?yōu)于鉆石法DS)。

　　0 引言

　　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(yàn)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。

　　Step 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