一种基于AVS标准的快速运动估计算法研究
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摘要
在视频编码系统中，运动估计技术对降低视频序列时间冗余度、提高编码效率起着非常关键的作用。一方面，运动估计的准确程度将决定视频编码效率。另一方面，运动估计算法的复杂度将直接决定视频压缩编码系统的复杂度。因此本文将重点研究基于AVS标准的视频编码中的运动估计技术。
本文通过分析视频序列的运动特性，传统经典算法的原理及优劣，提出了一种基于运动矢量预测以及搜索范围自适应的快速搜索算法。该算法针对运动矢量的时空相关性对运动矢量进行预测，使用当前宏块周围四个参考块的平均值作为当前宏块的运动矢量预测值，并以运动矢量预测值所指向位置做为匹配搜索的起始点；而且根据运动矢量参考值的相似程度决定搜索范围。实验结果表明，新算法的搜索速度比全搜索法提高了大约75倍，比菱形法提高了大约4倍；峰值信噪比比全搜索法低约0.35dB，比菱形法高约0.5dB。在速度比菱形法提升许多的情况下，达到了接近全搜索法的性能，非常适于实时应用。
In video coding and processing system, motion estimation (ME) plays very important role in eliminating inter-frame redundancy and improving the performance of video coder. On one hand, the accuracy of motion estimation affects the efficiency of the video coder. On the other hand, the complexity of the encoder lies on that of the of motion estimation algorithm. The motion estimation and motion compensation techniques based on AVS is mainly discussed in this paper.
By analyzing the motion characteristic of video sequence and the advantages/disadvantages of the classical searching algorithms, a new fast searching algorithm is proposed based on prediction of motion vector and self-adaptive searching area. In this algorithm, the motion vector is predicted by the space/time correlation of the motion vector. The predicted value of current block is equal to mean value of 4 referential motion vectors, and the starting point of the searching algorithm is chosen as it. At one time, the searching area is decided based on the similar class of the reference motion vectors. Experimental results prove that the searching speed of the new algorithm increases 75 times compared with Full Searching (FS) algorithm, 4 times compared with Diamond Searching (DS) algorithm. The PSNR is about 0.35db lower than FS and about 0.5db higher than DS. The new algorithm is suitable for real-time applications because it achieves similar performance compared with FS and much faster than DS.
本文通过分析视频序列的运动特性，传统经典算法的原理及优劣，提出了一种基于运动矢量预测以及搜索范围自适应的快速搜索算法。该算法针对运动矢量的时空相关性对运动矢量进行预测，使用当前宏块周围四个参考块的平均值作为当前宏块的运动矢量预测值，并以运动矢量预测值所指向位置做为匹配搜索的起始点；而且根据运动矢量参考值的相似程度决定搜索范围。实验结果表明，新算法的搜索速度比全搜索法提高了大约75倍，比菱形法提高了大约4倍；峰值信噪比比全搜索法低约0.35dB，比菱形法高约0.5dB。在速度比菱形法提升许多的情况下，达到了接近全搜索法的性能，非常适于实时应用。
In video coding and processing system, motion estimation (ME) plays very important role in eliminating inter-frame redundancy and improving the performance of video coder. On one hand, the accuracy of motion estimation affects the efficiency of the video coder. On the other hand, the complexity of the encoder lies on that of the of motion estimation algorithm. The motion estimation and motion compensation techniques based on AVS is mainly discussed in this paper.
By analyzing the motion characteristic of video sequence and the advantages/disadvantages of the classical searching algorithms, a new fast searching algorithm is proposed based on prediction of motion vector and self-adaptive searching area. In this algorithm, the motion vector is predicted by the space/time correlation of the motion vector. The predicted value of current block is equal to mean value of 4 referential motion vectors, and the starting point of the searching algorithm is chosen as it. At one time, the searching area is decided based on the similar class of the reference motion vectors. Experimental results prove that the searching speed of the new algorithm increases 75 times compared with Full Searching (FS) algorithm, 4 times compared with Diamond Searching (DS) algorithm. The PSNR is about 0.35db lower than FS and about 0.5db higher than DS. The new algorithm is suitable for real-time applications because it achieves similar performance compared with FS and much faster than DS.
引文
[1]詹承华，杨志义，杨柳，“一种基于H.264的快速运动估计算法”，2006．10
[2]邱志模，“H.264编码参数研究及编码性能分析”，军民两用技术与产品，2006．12
[4]杨高波，“压缩域H.264视频转换编码及其关键技术分析”，通信学报，2006．10
[5]何书前，“一种高效率的快速块匹配运动估计算法”，计算机工程与应用，2006/32
[6]谢志华“H.264视频编码标准中新型特性的研究”，江西科技师范学院学报，2005．4
[7]杨丽梅，“飞行器视觉定位方法的研究与仿真”，电子器件．2006．3
[8]邓云，“H.264扩展：分级编码技术研究与分析”，计算机应用，2006．11
[9]黄辉，“AVS1-P2视频标准中的关键技术研究”，电子质量，2006．5
[10]王海婴，“H.264/AVC中SP帧技术的应用研究”，计算机工程与应用，2005/32
[11]闫冬，“新一代视频压缩标准H.264/AVC”，数据通信，2003．4，
[12]刘冰，“序列图像帧间预测技术的研究”，清华大学学报(白然科学版)，2004．1
[13]周敬利，“基于H.264视频编码技术的研究”，华中科技大学学报(白然科学版)，2003．8
[14]Ying-Lai Xi, Chong-Yang Hao, Yang-Yu Fan and Hong-Qi Hu, "A fast block-matching algorithm based on adaptive search area and its VLSI architecture for H.264/AVC" , Signal Processing: Image Communication, Volume 21, Issue 8, September 2006
[15]Chih-Hung Kuo, Meiyin Shen and C.-C. Jay Kuo: "Fast motion search with efficient inter-prediction mode decision for H.264" . Journal of Visual Communication and Image Representation, Volume 17, Issue2, April 2006
[16]张欣佑，“AVS编码与DSP实现的视频编码器”S单片机与嵌入式系统应用，2006．12
[17]严明，“AVS视频标准中的分像素插值算法设计”，中国传媒大学学报(自然科学版)，2006．4
[18]魏昕，“AVS和H．264的性能与编码对比”，实用影音技术，2006．9
[19]N.A. Khan, S. Masud and A. Ahmad, "A variable block size motion estimation algorithm for real-time H.264 video encoding", Signal Processing: Image Communication, Volume 21, Issue 4, April 2006
[20]邓宁，“面向AVS-M的快速帧问预测模式选择算法”，电视技术，2006.7
[21]张智星，MATLAB程序设计与应用，清华大学出版社，2001
[22]张璐，“基于FPGA的AVS反变换的设计与实现”，电视技术，2006．7
[23]刘元春，“AVS视频标准研究”，中国有线电视，2006/16
[24]Yu-Kuang Tu, Jar-Ferr Yang, Ming-Ting Sun and Yuesheng T. Tsai, "Fast variable-size block motion estimation for efficient H.264/AVC encoding", Signal Processing: Image Communication, Volume 20, Issue 7, August 2005
[25]李彦尔，“AVS-P2和H．264标准的比较”，无线电工程，2006．8
[26]王晓慧，“基于AVS编码的帧间宏块模式选择快速算法”，微计算机信息，2006/19
[27]高文，“AVS数字音视频编解码标准”，中兴通讯技术，2006．3
[28]Sung-Chang Lim, Hyeong-Ryul Na and Yung-Lyul Lee, "Rate control based on linear regression for H.264/MPEG-4 AVC", Signal Processing: Image Communication, Volume 22, Issue 1, January 2007
[29]Ee Ping Ong, Xiaokang Yang, Weisi Lin, Zhongkang Lu, Susu Yao, Xiao Lin, Susanto Rahardja and Boon Choong Seng," Perceptual quality and objective quality measurements of compressed videos", Journal of Visual Communication and Image Representation, Volume 17, Issue 4, August 2006
[30]生滨，“AVS环路滤波器设计及实现”，高技术通讯，2006．7
[31]季鹏飞，“H.264和AVS际准中I帧间预测技术研究”，北京工业大学
[32]纪中伟，“先进的运动估计与运动补偿算法在数字视步贞处理中的应用”，电子科技大学
[2]邱志模，“H.264编码参数研究及编码性能分析”，军民两用技术与产品，2006．12
[4]杨高波，“压缩域H.264视频转换编码及其关键技术分析”，通信学报，2006．10
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[14]Ying-Lai Xi, Chong-Yang Hao, Yang-Yu Fan and Hong-Qi Hu, "A fast block-matching algorithm based on adaptive search area and its VLSI architecture for H.264/AVC" , Signal Processing: Image Communication, Volume 21, Issue 8, September 2006
[15]Chih-Hung Kuo, Meiyin Shen and C.-C. Jay Kuo: "Fast motion search with efficient inter-prediction mode decision for H.264" . Journal of Visual Communication and Image Representation, Volume 17, Issue2, April 2006
[16]张欣佑，“AVS编码与DSP实现的视频编码器”S单片机与嵌入式系统应用，2006．12
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[19]N.A. Khan, S. Masud and A. Ahmad, "A variable block size motion estimation algorithm for real-time H.264 video encoding", Signal Processing: Image Communication, Volume 21, Issue 4, April 2006
[20]邓宁，“面向AVS-M的快速帧问预测模式选择算法”，电视技术，2006.7
[21]张智星，MATLAB程序设计与应用，清华大学出版社，2001
[22]张璐，“基于FPGA的AVS反变换的设计与实现”，电视技术，2006．7
[23]刘元春，“AVS视频标准研究”，中国有线电视，2006/16
[24]Yu-Kuang Tu, Jar-Ferr Yang, Ming-Ting Sun and Yuesheng T. Tsai, "Fast variable-size block motion estimation for efficient H.264/AVC encoding", Signal Processing: Image Communication, Volume 20, Issue 7, August 2005
[25]李彦尔，“AVS-P2和H．264标准的比较”，无线电工程，2006．8
[26]王晓慧，“基于AVS编码的帧间宏块模式选择快速算法”，微计算机信息，2006/19
[27]高文，“AVS数字音视频编解码标准”，中兴通讯技术，2006．3
[28]Sung-Chang Lim, Hyeong-Ryul Na and Yung-Lyul Lee, "Rate control based on linear regression for H.264/MPEG-4 AVC", Signal Processing: Image Communication, Volume 22, Issue 1, January 2007
[29]Ee Ping Ong, Xiaokang Yang, Weisi Lin, Zhongkang Lu, Susu Yao, Xiao Lin, Susanto Rahardja and Boon Choong Seng," Perceptual quality and objective quality measurements of compressed videos", Journal of Visual Communication and Image Representation, Volume 17, Issue 4, August 2006
[30]生滨，“AVS环路滤波器设计及实现”，高技术通讯，2006．7
[31]季鹏飞，“H.264和AVS际准中I帧间预测技术研究”，北京工业大学
[32]纪中伟，“先进的运动估计与运动补偿算法在数字视步贞处理中的应用”，电子科技大学