運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

1、運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法設(shè)計(jì)及 FPGA實(shí)現(xiàn)作者：作者單位：陳祖爵， 韓云， 鞠時(shí)光， 武仲寅， CHEN Zu-jue， HAN Yun ， JU Shi-guang， WU Zhong-yin陳祖爵 ,鞠時(shí)光 ,武仲寅 ,CHEN Zu-jue,JU Shi-guang,WU Zhong-yin( 江蘇大學(xué) ,計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院 ,江蘇 ,鎮(zhèn)江 ,212013)， 韓云 ,HAN Yun( 江蘇大學(xué) ,計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院,江蘇 ,鎮(zhèn)江 ,212013;巢湖學(xué)院 ,計(jì)算機(jī)系 ,安徽 ,巢湖 ,238000)刊名：江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSI

2、TY(NATURAL SCIENCE EDITION)英文刊名：2007，28(4)年，卷 (期)：3次被引用次數(shù)：參考文獻(xiàn) (12條)1.李子印 .朱善安基于運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)的六邊形塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索算法期刊論文 -信號(hào)處理2006(02)2.Zhu S.Ma K K A new diamond search algorithm for fast block matching motion estimation 1997(01)3.桂樂 小波分析理論及其在圖像壓縮中的應(yīng)用學(xué)位論文 20034.樓棟軍 .徐寧儀 .林孝康 一種快速高效 MPEG-4運(yùn)動(dòng)估計(jì)硬件結(jié)構(gòu)的研究和實(shí)現(xiàn)期刊論文 -電視技術(shù)200

3、4(08)5.Gao R.Xu D.Bentley J P Reconfigurable hardware implementation of an improved parallel architecturefor MPEG-4 motion estimation in mobile applications 2003(04)6.Denolf K.Chirila-Rus A.Turney R Memory efficient design of an MPEG-4 video encoder for FPGA 20057.Masood N.Naqvi S S Implementation o

4、f MPEG-4 Decoding on FPGA20058.Chien Chihda.Chen Hochun A low-power motion compensation IP core design for MPEG-1/2/4 video decoding 2005(05)9.Lehtoranta O.Salminen E.Kulmala A A parallel MPEG-4 encoder for FPGA based multiprocessor SoC200510.Xilinx Inc MPEG-4 Simple ProfileEncoder v1.1 200611.杜天艷 .

5、唐平 Petri網(wǎng)的一種硬件實(shí)現(xiàn)方法 期刊論文 -江蘇大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ) 2004(05)12.杜天艷 .趙不賄 .陸繼遠(yuǎn) 基于 multiSIM 環(huán)境下的混雜系統(tǒng)仿真 期刊論文 -江蘇大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ) 2003(03)相似文獻(xiàn) (10條)1.學(xué)位論文林舒靜 視頻壓縮中運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的研究2009運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)是視頻壓縮編碼中的核心技術(shù)之一，采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)可以消除視頻信號(hào)的時(shí)間冗余，從而提高編碼效率。研究設(shè)計(jì)高效、快速、魯棒的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法成為目前視頻壓縮技術(shù)中研究的重要課題。在各種運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法中，塊匹配法由于其原理簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到了普遍應(yīng)用，被許多視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)

6、 ( 如MPEG以及 TH 26X)所采用，在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用中得到了不斷的發(fā)展和完善，成為數(shù)字視頻技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其相關(guān)快速算法也得到了廣泛的研究和發(fā)展。但是，傳統(tǒng)的快速塊匹配算法如三步法、菱形法等雖然極大地提高了搜索速度卻具有易陷入局部最優(yōu)的固有缺陷，不能兼顧快速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)矢量和準(zhǔn)靜止運(yùn)動(dòng)矢量，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的質(zhì)量有很大的影響，是迫切需要解決的問題。本文主要的任務(wù)是在分析和研究幾種經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)一種更優(yōu)的算法。本文首先闡述了基于塊匹配的運(yùn)動(dòng)估計(jì)的基本原理，詳細(xì)介紹了全搜索法和幾種典型的塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)快速算法。分析了它們各自的技術(shù)特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量地評(píng)價(jià)了各算

7、法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后重點(diǎn)介紹了本文提出的一種改進(jìn)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法 新方向性菱形 弧形算法。此算法根據(jù)序列圖像中運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)中心偏置分布特性，設(shè)計(jì)了一種方向性菱形模板和大菱形 弧形模板，根據(jù)運(yùn)動(dòng)類型自適應(yīng)選擇搜索策略。以上技術(shù)使本文算法在保證了搜索準(zhǔn)確性的同時(shí)，很大的提高了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的速度。最后，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)來論證論文中改進(jìn)的算法。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表分析、比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的算法均優(yōu)于本文介紹的經(jīng)典的塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：本文算法對(duì)具有小運(yùn)動(dòng)、中等運(yùn)動(dòng)和大運(yùn)動(dòng)的視頻序列圖像均能在搜索速度和搜索精度兩方面保持比較優(yōu)異的性能，兼顧大運(yùn)動(dòng)矢量和小運(yùn)動(dòng)

8、矢量搜索，計(jì)算量都有所減少，搜索速度快。所以本文算法無論在搜索準(zhǔn)確性還是搜索速度方面，與以往的快速搜索算法相比，均具有一定的優(yōu)勢(shì)，并且由于本算法充分利用了向量的時(shí)間和空間上的相關(guān)性來預(yù)測(cè)起始搜索點(diǎn)，從而使算法不容易陷入局部最優(yōu)，極大的避免了出現(xiàn)搜索錯(cuò)誤的可能，提高了搜索效率。2.期刊論文肖廣.賀樑.滕國(guó)偉 .石旭利 .XIAO Guang.HE Liang.TENG Guo-wei.SHI Xu-li一種改進(jìn)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法 -計(jì)算機(jī)工程 2008,34(8)針對(duì)當(dāng)前 H.264/AVC 典型快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法缺少與其他編碼特征相結(jié)合的情況,提出融合多參考幀選擇和幀間模式判決的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法

9、,綜合考慮整數(shù)變換與量化、矢量預(yù)測(cè)、搜索范圍、參考幀及其各個(gè)塊模式之間的相關(guān)性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在碼率變化不大的條件下, 可顯著提高編碼器的運(yùn)算速度 .3.學(xué)位論文王誼波 基于起點(diǎn)預(yù)測(cè)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法2006計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，大大推動(dòng)了視頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字視頻技術(shù)在當(dāng)前的信息社會(huì)中日益發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)，視頻圖像的編碼和傳輸技術(shù)面臨巨大的挑戰(zhàn)。實(shí)時(shí)視頻編解碼技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)估計(jì)在視頻編碼中占有 50-80的運(yùn)算量，因此，為了提高編碼器的速度必須首先提高運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的效率。運(yùn)動(dòng)估計(jì)從而成為這一領(lǐng)域最有挑戰(zhàn)性的研究課題。由于視頻的數(shù)據(jù)量巨大，為了滿足視頻在

10、頻帶受限的無線信道上傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，必須使用數(shù)據(jù)量壓縮比大而且復(fù)雜度小的快速編碼算法，盡量用最少的數(shù)據(jù)傳輸最大的信息量。基于塊匹配的運(yùn)動(dòng)估計(jì)由于其簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)性而被當(dāng)前的所有視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所采用。全搜索塊匹配算法是最簡(jiǎn)單最直接的塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)法，但是由于其運(yùn)算復(fù)雜度太高很難應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻編碼中，從而業(yè)界提出了很多種快速塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法。本文介紹了各種塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法并進(jìn)行了總結(jié)和歸類。首先介紹了運(yùn)動(dòng)估計(jì)中的塊匹配準(zhǔn)則，接著分類介紹了全搜索法和各種快速搜索法。本文在六角形搜索算法 (HS)的基礎(chǔ)上，再根據(jù)視頻序列圖像幀相鄰空間塊和對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)向量的高度空間相關(guān)性，提出了一種新的用于塊匹配的運(yùn)

11、動(dòng)估值搜索算法一預(yù)測(cè)六角形搜索算法 (PHS)。該算法在運(yùn)動(dòng)估值的過程中引入了預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)向量的概念，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。試驗(yàn)表明，本文改進(jìn)的算法與現(xiàn)有的算法相比較，在搜索速度和搜索效果方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。4.期刊論文 宋傳鳴 .王相海 .張福炎 .SONG Chuan-Ming.WANG Xiang-Hai.ZHANG Fu-Yan二值alpha平面輔助的視頻對(duì)象快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法-軟件學(xué)報(bào) 2008,19(4)提出了一種任意形狀視頻對(duì)象的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法.詳細(xì)分析了 alpha平面在視頻對(duì)象的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)過程中起到的指導(dǎo)性作用,采用邊界擴(kuò)展和邊界掩碼技術(shù) ,提出了一種新的二值 alp

12、ha平面匹配衡量準(zhǔn)則 WBAMC (weighted binary alpha-plane matching criterion).結(jié)合優(yōu)先搜索策略 ,提出了二值alpha平面輔助的視頻對(duì)象快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法BAAME(binary alpha-plane assisted motion estimation).首先 ,利用 alpha平面和 WBAMC 準(zhǔn)則 ,將邊界宏塊的搜索范圍縮小至兩個(gè)搜索起點(diǎn)的單調(diào)區(qū)域,再采用傳統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法確定其運(yùn)動(dòng)向量 ; 然后 ,用邊界宏塊的運(yùn)動(dòng)向量預(yù)測(cè)內(nèi)部宏塊的搜索起點(diǎn);最后 ,采用快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法搜索內(nèi)部宏塊的運(yùn)動(dòng)向量.這種方法可與多種空間域和頻率域運(yùn)動(dòng)

13、估計(jì)算法相結(jié)合,有效地應(yīng)用于基于對(duì)象的視頻編碼器中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ,對(duì)于多種類型的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試視頻流,BAAME 算法始終能夠保持較高的估計(jì)精度和主觀質(zhì)量 ,運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)钠骄?PSNR(peak signal-to-noiseratio)較 DS(diamond search)和 PSA(priority search algorithm)(BAAS(binary alpha-plane assisted search)+DS)高出 0.1dB 0.8dB,略低于 FS(fullsearch),但是其計(jì)算復(fù)雜度與 FS相比降低了 20倍.5.期刊論文 沈承東 .李思昆 .SHEN Cheng-don

14、g.LI Si-kun 使用提前結(jié)束策略的部分失真搜索快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法-計(jì)算機(jī)工程與科學(xué) 2007,29(9)和傳統(tǒng)的快速塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法相比 ,部分失真搜索運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法通常會(huì)帶來較低的視頻圖像質(zhì)量下降 ,但它獲得的計(jì)算加速比有限 .本文提出一種新的快速部分失真搜索運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法 ,它在搜索點(diǎn)檢測(cè)過程中使用兩種提前結(jié)束策略 :早期搜索結(jié)束策略和中途搜索終止策略 .提前結(jié)束策略的使用能夠顯著減少搜索點(diǎn)的個(gè)數(shù) ,彌補(bǔ)了規(guī)格化部分失真搜索算法只能降低失真計(jì)算量的不足 ,兩種策略的結(jié)合使用能夠在保證較高視頻質(zhì)量的同時(shí) ,大大降低運(yùn)動(dòng)估計(jì)的計(jì)算復(fù)雜性 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明 :新算法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)估

15、計(jì)算法 ,在視頻質(zhì)量接近全局搜索算法的同時(shí) ,獲得比傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法更高的計(jì)算加速比 .6.學(xué)位論文吳杰杰 基于視頻傳輸協(xié)議的預(yù)測(cè)和估計(jì)的研究 基于 H.264的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的研究2009隨著市場(chǎng)的需求，在盡可能低的存儲(chǔ)情況下獲得較好的圖像質(zhì)量和低帶寬圖像快速傳輸已成為視頻壓縮的兩大難題。為此，ISO/IEC 和 ITU-T 兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定了新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264。正是因?yàn)?H.264其良好的壓縮性和網(wǎng)絡(luò)友好性等新特點(diǎn)而成為目前視頻存儲(chǔ)和圖像通信研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。實(shí)現(xiàn) H.264實(shí)時(shí)編碼是其中一個(gè)很重要的研究方向，尤其在移動(dòng)視頻、視頻會(huì)議、可視電話等視頻實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)

16、合具有非常重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。 <br>運(yùn)動(dòng)估計(jì)作為視頻壓縮框架中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)視頻壓縮編碼的質(zhì)量和速度有著舉足輕重的影響。因此尋找一種快速、高效的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法成了視頻壓縮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如何對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法進(jìn)行優(yōu)化，降低編碼復(fù)雜度，是本文研究的主要內(nèi)容。本文正是以此為出發(fā)點(diǎn)，所作的工作主要有:<br>首先，簡(jiǎn)單介紹了數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域中的重要性以及數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程，接下來扼要評(píng)述了幾種重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。 <br>其次，歸納總結(jié)了視頻編碼中常見的壓縮技術(shù)，并對(duì)H.264 中的新技術(shù)、新方案和改進(jìn)的地方作總體的介紹。在前面分析的基礎(chǔ)

17、上，本文又深入研究了幾種經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，并對(duì)各算法進(jìn)行了詳細(xì)的描述及分析，如全搜索算法 (FS)、三步搜索法 (TSS)、菱形搜索法 (DS) 、MVFAST 搜索法及UMHexagonS搜索法。 <br>最后，結(jié)合 H.264編碼特點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法 -八邊形運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，該算法深入分析了快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題，借鑒一些快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索算法的優(yōu)點(diǎn)，從搜索模式和加速策略方面加以改進(jìn)的，提高了編碼系統(tǒng)的搜索效率。該算法是一種混合型搜索法，在搜索過程中采用了八邊形模板、大小菱形模板及正方形模板相結(jié)合的方式，同時(shí)還采用了起點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)避免陷入局部最小

18、和提前終止策略，避免錯(cuò)誤搜索帶來的時(shí)間損耗。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性，采用本文算法可以節(jié)省大量搜索時(shí)間，使編碼時(shí)間大大減少且不影響圖像質(zhì)量，彌補(bǔ)其他算法搜索緩慢的缺點(diǎn)。7.期刊論文譚琳.李麗娟 .TAN Lin.LI Li-juan基于距離預(yù)測(cè)的快速自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法-計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2007,43(30)已有的快速搜索算法中 ,絕大多數(shù)都不檢查搜索區(qū)中所有候選項(xiàng) ,所以 ,當(dāng)視頻序列中有快速或隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí) ,這些算法常導(dǎo)致搜索陷入局部最優(yōu) .為了解決這一問題 ,提出了一種估算當(dāng)前搜索點(diǎn)和最佳點(diǎn)之間的距離的度量方法 ,在此基礎(chǔ)上提出了一種新的自適應(yīng)的閾值方案 ,并結(jié)合層次搜索技術(shù) ,既有效

19、提高了具有快速或隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的視頻的運(yùn)動(dòng)估計(jì)的搜索速度 ,也保證了算法較好的 PSNR性能 .8.學(xué)位論文姜園園 VC-1 視頻編碼技術(shù)研究及在 DSP上的實(shí)現(xiàn)2008隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，人類也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的網(wǎng)絡(luò)多媒體時(shí)代，作為諸多計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域中最為活躍之一的多媒體視頻編碼技術(shù)也隨著應(yīng)用要求的改變而不斷發(fā)展著。為此，2006年 4月，微軟公司以其在 WMV9(Windows MediaVideo9) 基礎(chǔ)上開發(fā)的 VC-1(Video Codec 1)視頻編碼壓縮技術(shù)向美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì) SMPTE(Society of Motion Picture and Television Eng

20、ineers)提出公開標(biāo)準(zhǔn)化的申請(qǐng)，并獲得通過， VC-1正式命名為 SMPTE 421M 。此協(xié)議提出的目的是能夠在低比特率下獲得很好的圖像壓縮效果并能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以滿足對(duì)壓縮效率、圖像質(zhì)量和在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下的實(shí)時(shí)傳輸要求。本文對(duì) VC-1 視頻編碼技術(shù)進(jìn)行了深入研究，分析了其使用的關(guān)鍵技術(shù)，包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)，幀間預(yù)測(cè)，1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，熵編碼，環(huán)路濾波，重疊平滑技術(shù)等。通過對(duì)目前的各模塊算法進(jìn)行深入剖析研究，尋找出目前所提出算法中的不足和影響編碼速度的瓶頸，進(jìn)而對(duì)瓶頸部分進(jìn)行分析研究找出算法的改進(jìn)方法。因?yàn)楦鶕?jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)動(dòng)估計(jì)在VC-1 全部算法計(jì)算中占有相當(dāng)大

21、的比例，所以本文主要在運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法方面提出了改進(jìn)方法，對(duì)基于塊匹配的十字 -菱形搜索算法進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。并完成了將在PC機(jī)下的部分改進(jìn)代碼向目前專門面向多媒體應(yīng)用的專用數(shù)字信號(hào)處理(DSP， Digtal Signal Processing)芯片 TMS320DM642 的移植及優(yōu)化工作。根據(jù)此 DSP芯片的特點(diǎn)，通過對(duì)移植后的程序進(jìn)行 C語言和匯編語言級(jí)的優(yōu)化，使 VC-1 編碼算法達(dá)到了良好的優(yōu)化效果。9.期刊論文 眭保輝 .吳強(qiáng) .徐成 .李仁發(fā) .劉彥 .SUI Bao-hui.WU Qiang.XU Cheng.LI Ren-fa.LIU Yan 自適應(yīng)的H.264快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法-計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 2008,44(34)H.264/AVC 是 ITU-T 和ISO/IEC 聯(lián)合制定的最新視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) .運(yùn)動(dòng)估計(jì)作為 H.264算法中計(jì)算最復(fù)雜的部分 ,在很大程度上影響著整個(gè)算法的性能.為提高運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的搜索效率 ,提出了一種自適應(yīng)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果表