EBMA算法實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)量化

1、作業(yè)三EBMA 算法實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)量化一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用 Matlab 實(shí)現(xiàn) EBMA 算法，計(jì)算運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償誤差；對(duì)所求得的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)用矢量量化方法進(jìn) 行編碼，碼書大小可自己指定。二、實(shí)驗(yàn)背景運(yùn)動(dòng)估計(jì)是現(xiàn)階段所有視頻編碼相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)動(dòng)估計(jì)的基本思想是 盡可能準(zhǔn)確地獲得序列圖像幀間的運(yùn)動(dòng)位移，即運(yùn)動(dòng)矢量。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)估計(jì)越準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)補(bǔ)償 的圖像質(zhì)量越高，補(bǔ)償?shù)臍埐罹驮叫?，補(bǔ)償編碼所需位數(shù)越少，需要傳輸?shù)谋忍芈示驮叫　?利用得到的運(yùn)動(dòng)矢量在幀間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。補(bǔ)償殘差經(jīng)過(guò)變換、量化、編碼后與運(yùn)動(dòng)矢量一 起經(jīng)過(guò)熵編碼，然后以比特流形式發(fā)送出去。運(yùn)動(dòng)估計(jì)作為視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)，需要解決 的問(wèn)題是如

2、何提高它的估算速度和精度。運(yùn)動(dòng)估計(jì)法主要分兩大類：像素遞推法和塊匹配法。運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法中，塊匹配算法因具 有簡(jiǎn)單、實(shí)用的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。全搜索算法是簡(jiǎn)單也是效果最好的一種匹配算法，通過(guò)的全搜素匹配得到的結(jié)果是全局 最優(yōu)的，但由于計(jì)算量很大，我們?cè)诰幗獯a中往往不采用這種方法，而只把他作為與其他算 法的一種比較。為了兼顧估算精度和運(yùn)算速度，我們提出了一系列的快速算法?？焖偎惴ㄍ?過(guò)限制搜索位置的數(shù)目來(lái)減小計(jì)算復(fù)雜度，但不利于估計(jì)小的運(yùn)動(dòng)且搜索容易陷入局部最 優(yōu)。目前存在的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法中，早期的三步法(TSS)和二維對(duì)數(shù)法(TDL)、新三步法 (NTSS)、四步法(FSS)、基于菱形的搜索算法

3、(DS)和基于六邊形的搜索算法(HEXBS)等。三、實(shí)驗(yàn)原理(一)、全搜索運(yùn)動(dòng)估計(jì)塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)把圖像幀劃分為若干互不重疊的塊，并以塊為單位尋找目標(biāo)幀中每塊在 參考幀(上一幀或者其它幀)中最優(yōu)匹配的塊的相對(duì)位置，這個(gè)相對(duì)位置稱為運(yùn)動(dòng)矢量而參 考?jí)K和匹配塊的差稱為殘差因此在視頻編碼時(shí)不需要對(duì)整幅圖像進(jìn)行處理而只需要對(duì)運(yùn)動(dòng) 矢量和殘差進(jìn)行編碼這樣就可以在解碼端恢復(fù)參考?jí)K的圖像從而達(dá)到了壓縮的目的。如下圖 所示，假設(shè)圖像中每塊的大小為MXN, dxmax為參考?jí)K水平方向可搜索最大位移而dymax 為參考?jí)K垂直方向可搜索最大位移那么基于塊匹配的運(yùn)動(dòng)估計(jì)就是在參考幀(或者其它上一幀)的(M+2dxmax

4、)X(N+2dymax)候選區(qū)搜索窗口中找到和目標(biāo)幀的當(dāng)前大小為MXN的塊 的最匹配的塊則參考?jí)K的運(yùn)動(dòng)矢量可用如下的數(shù)學(xué)公式描述：MV =(VxyVy=(兀)IR(人(皿心仁(m+xtn + y) = Maxm e 0,M -1,丹 e 0：N 17 jc e -dx max,dx max - lTjp e -dymaxdy max -1R表示相關(guān)性評(píng)價(jià)函數(shù)，f(m,n)表示目標(biāo)或當(dāng)前幀圖像的灰度值。滿足R為最大時(shí)的X、Y為運(yùn)動(dòng)矢量，用MV表示。塊匹配估計(jì)準(zhǔn)則是判斷塊相似程度的依據(jù)，因此匹配準(zhǔn)則的好壞直接影響了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的 精度；另一方面，匹配運(yùn)算復(fù)雜度、數(shù)據(jù)讀取復(fù)雜度和內(nèi)存管理復(fù)雜度在很大程度

5、上取決于 所采用的塊匹配準(zhǔn)則。我們這里用到的塊匹配準(zhǔn)則是：平均絕對(duì)誤差函數(shù)(Mean of Absolute Error, MAE)M NMAD(x, V)=爲(wèi)工工憶(朋,川)- _i (朋十芯川十尹)m=l n=l有些文獻(xiàn)中 MAD 演變?yōu)榻^對(duì)差和：SAD(x. y) = MN MAD(x.y)M N二工工龐(稅用)啟(用十兀丿十y)m = w=l在上述匹配準(zhǔn)則中，由于 SAD 只采用了加法和絕對(duì)值計(jì)算，便于計(jì)算和硬件實(shí)現(xiàn)而且它的匹配精度與MAD相差不大。此外搜索精度還與塊的大小、搜索窗的大小、搜索步長(zhǎng)有關(guān)。(二)、運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)的量化編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)所得到的每個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量包含兩個(gè)分量，包括水平分量x

6、和垂直分量y。每個(gè)錨 定幀所產(chǎn)生的所有運(yùn)動(dòng)矢量構(gòu)成運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)，利用矢量量化方法，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)進(jìn)行矢 量量化，其中量化維數(shù)為2，由水平分量和垂直分量組成。我們用每一場(chǎng)中的所有運(yùn)動(dòng)矢量 來(lái)訓(xùn)練矢量量化的碼書，以達(dá)到比較優(yōu)化的量化效果即總體失真較小。在具體量化運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)時(shí)，我們可以將每個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的想x, y分量看成是二維空間上 的一個(gè)矢量f，由此我們可以將運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)的量化問(wèn)題抽象為二維空間的分割為L(zhǎng)個(gè)區(qū)域， 并由具有代表性的點(diǎn)g來(lái)表示區(qū)域B中的所有點(diǎn)。我們將B稱為分割區(qū)域，g稱為重建矢l l l l量或碼字，包含所有碼字的集合C = g,l e L稱為碼書，量化函數(shù)可以描述為：Q( f)二 g,

7、 f e B一般的，一個(gè)矢量量化器由碼字g和分割區(qū)域B確定。使用最近鄰量化器，對(duì)于任何ll輸入矢量f，通過(guò)將此矢量與所有的碼字相比較，并且在距離測(cè)度d (f,g )條件下尋找與Nl它最接近的一個(gè)來(lái)確定量化矢量。分割區(qū)域可以通過(guò)下面的公式確定：B = f e Rn : d (f, g ) d (f, g), Vl豐 1lNlNl也最簡(jiǎn)單的 VQ 量化器是均勻點(diǎn)陣量化器，所有的分割區(qū)域具有相同的形狀和大小，但 是當(dāng)信源不是均勻分布時(shí)，它可能不是最有效的。對(duì)于一個(gè)給定的 N 維矢量和信源概率密 度函數(shù)，希望設(shè)計(jì)出一種最佳量化器，對(duì)于給定的碼書大小L,使得給定的失真準(zhǔn)則最小化。 理想情況下，應(yīng)當(dāng)同時(shí)確

8、定碼字g和分割區(qū)域B使得平均失真最小，然而最優(yōu)解難以找到。ll可以使用替代的方法，首先對(duì)給定的碼字g，分割區(qū)域B應(yīng)該使所有區(qū)域上平均失真最小，ll其次對(duì)于給定的分割區(qū)域B，碼字的選擇應(yīng)當(dāng)使該區(qū)域內(nèi)的失真最小。l在運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)2維矢量量化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別使用了256大小的碼書，并且使用重構(gòu)后的 運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)應(yīng)用于預(yù)測(cè)圖像的重構(gòu)，并比較重構(gòu)圖像與原始圖像的PSNR值。四、實(shí)驗(yàn)步驟具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、讀入圖像，對(duì)當(dāng)前幀分塊，這里塊的大小我們?nèi)?6*16；2、對(duì)在參考幀的搜索窗內(nèi)搜索并計(jì)算MAD值；3、比較各塊MAD值的大小，找到當(dāng)前塊在參考幀里對(duì)應(yīng)的最匹配塊(此塊對(duì)應(yīng)的MAD 值最小)，并保存相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)

9、矢量；4、接著用得到的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和參考圖估計(jì)當(dāng)前幀圖像，并計(jì)算補(bǔ)償殘差；5、對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的倆分量分別進(jìn)行矢量量化編碼(具體操作參見(jiàn)作業(yè)一)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（一）、全搜索運(yùn)動(dòng)估計(jì)我們?nèi)∫曨l的第1 和第 3 幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：塊大小16x16；搜索范圍dmax=7；搜索精度：1像素；視頻大小720*400。運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)果：參考幀預(yù)測(cè)圖像補(bǔ)償誤差運(yùn)動(dòng)矢量圖2520151050 5 10 15 20 25 30 35 40 45預(yù)測(cè)圖像補(bǔ)償誤差運(yùn)動(dòng)矢量圖2520151050 5 10 15 20 25 30 35 40 45（二）、運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)的量化編碼實(shí)驗(yàn)采用LBG算法獲取碼書設(shè)計(jì)，碼字大小為4X4的子像素塊，碼書大小為256。25編碼后運(yùn)動(dòng)矢量圖201510525編碼后運(yùn)動(dòng)矢量圖20151050 5 10 15 20 25 30 35 40 45編碼結(jié)果如下： 由預(yù)測(cè)圖和原圖對(duì)照可以看出：利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，可以大大減少時(shí)間軸上相鄰兩幀之 間的數(shù)據(jù)冗余，這樣在編碼后可以大大減少需要傳輸?shù)拇a流，提高編碼器的性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 EMBA、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)在視頻編解碼過(guò)程中的應(yīng)用，以及運(yùn)動(dòng)矢量的無(wú)損編 碼傳輸對(duì)于重構(gòu)圖像質(zhì)量的影響。所以準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，以及無(wú)損的運(yùn)