運(yùn)動估計(jì)算法比較.pdf

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1、大作業(yè)幾種運(yùn)動估計(jì)算法比較一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡要介紹各種運(yùn)動估計(jì)算法，并比較不同運(yùn)動估計(jì)算法的性能，主要考慮各算法的運(yùn)算速度和精度。二、實(shí)驗(yàn)背景視頻原始圖像中存在著大量的信息冗余，如時間冗余、空間冗余、信息熵冗余、譜間冗余、幾何結(jié)構(gòu)冗余、視覺冗余和知識冗余等等。運(yùn)動估計(jì)是視頻壓縮編碼中的核心技術(shù)之一，采用運(yùn)動估計(jì)和運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)可以消除視頻信號的時間冗余以提高編碼效率。如何提高運(yùn)動估計(jì)的效率，使運(yùn)動估計(jì)算法的搜索過程更健壯、更快速、更高效成為目前研究的熱點(diǎn)。運(yùn)動估計(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)動位移，即運(yùn)動矢量。因?yàn)檫\(yùn)

2、動估計(jì)越準(zhǔn)確，預(yù)測補(bǔ)償?shù)膱D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)動矢量在幀間進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。補(bǔ)償殘差經(jīng)過變換、量化、編碼后與運(yùn)動矢量一起經(jīng)過熵編碼，然后以比特流形式發(fā)送出去。運(yùn)動估計(jì)算法多種多樣，大體上可以把它們分成四類：塊匹配法、遞歸估計(jì)法、貝葉斯估計(jì)法和光流法。其中塊匹配運(yùn)動估計(jì)算法因其具有算法簡單、便于VLSI實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。所以本文將重點(diǎn)介紹塊匹配運(yùn)動估計(jì)算法，并對各種塊匹配算法在計(jì)算速度和估計(jì)精度上進(jìn)行簡單比較。三、實(shí)驗(yàn)原理（一）、像素遞歸技術(shù)像素遞歸技術(shù)是基于

3、遞歸思想。在連續(xù)幀中像素?cái)?shù)據(jù)的變化是因?yàn)槲矬w的移位引起的，鄭么如果沿著梯度方向在某個像素周圈的若干像素作迭代運(yùn)算，運(yùn)算會最后收斂于一個固定的運(yùn)動估計(jì)矢量，從而預(yù)測該像素的位移。（二）、塊匹配運(yùn)動估計(jì)塊匹配運(yùn)動估計(jì)是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)匹配的塊的相對位置，假設(shè)圖像中每塊的大小為M×N，dxmax為參考塊水平方向可搜索最大位移而dymax為參考塊垂直方向可搜索最大位移那么基于塊匹配的運(yùn)動估計(jì)就是在參考幀（或者其它上一幀）的(M+2dxmax)×(N+2dym

4、ax)候選區(qū)搜索窗口中找到和目標(biāo)幀的當(dāng)前大小為M×N的塊的最匹配的塊則參考塊的運(yùn)動矢量可用如下的數(shù)學(xué)公式描述：R表示相關(guān)性評價(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為最大時的X、Y為運(yùn)動矢量，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：平均絕對誤差函數(shù)(MeanofAbsoluteError,MAE)有些文獻(xiàn)中MAD演變?yōu)榻^對差和：在上述匹配

5、準(zhǔn)則中，由于SAD只采用了加法和絕對值計(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、搜索步長有關(guān)。塊匹配的方法主要有：三步法(TSS)和二維對數(shù)法(TDL)、新三步法(NTSS)、四步法(FSS)、基于菱形的搜索算法(DS)和基于六邊形的搜索算法(HEXBS)等。其中全搜索算法是簡單也是效果最好的一種匹配算法，通過的全搜索匹配得到的結(jié)果是全局最優(yōu)的，但由于計(jì)算量很大，我們在編解碼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，人們提出了一系

6、列的快速算法。快速算法通過限制搜索位置的數(shù)目來減小計(jì)算復(fù)雜度，但不利于估計(jì)小的運(yùn)動且搜索容易陷入局部最優(yōu)。下面我們將詳細(xì)介紹各種基于塊的匹配算法?？焖偎惴ɑ谝幌录僭O(shè)：認(rèn)為誤差函數(shù)在整個搜索區(qū)域內(nèi)有唯一極小值點(diǎn)，并假設(shè)誤差函數(shù)曲面值隨偏離最小值點(diǎn)距離是單調(diào)遞增的。另外運(yùn)動矢量還滿足中心偏執(zhí)性。即塊的運(yùn)動矢量基本上都是在一個中心位置集中了絕大部分運(yùn)動矢量，而且隨著運(yùn)動矢量的位置遠(yuǎn)離中心其數(shù)逐漸減少。通過對常用視頻序列的運(yùn)動矢量分布作了更為詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動矢量以不同的比例集中分布在中心附近的特定區(qū)域內(nèi)。如下圖：有大約81.

7、80％的運(yùn)動矢量分布在中心附近范圍2的正方形區(qū)域內(nèi)(25個點(diǎn))，大約77.52％的運(yùn)動矢量分布在中心附近范圍2的菱形區(qū)域內(nèi)(13個點(diǎn))，更有大約74．76%的矢量集中分布在中心附近范圍2的十字形區(qū)域內(nèi)(9個點(diǎn))。運(yùn)動矢量的中心偏執(zhí)性（1）、全搜索運(yùn)動估計(jì)(FS)全搜索法（FullSearchMethod,FS）也稱為窮盡搜索法，是對（M＋2dx）×（N＋2dy）搜索范圍內(nèi)所有可能的候選位置計(jì)算MAD(i,j)值，從中找出最小MAD，其對應(yīng)偏移量即為所求運(yùn)動矢量。此算法雖計(jì)算量大，但最簡單、可靠，找到的必為全局最優(yōu)點(diǎn)。FS算法描

8、述如下：從原點(diǎn)出發(fā)，按順時針螺旋方向由近及遠(yuǎn)，在逐個像素處計(jì)算MAD值，直到遍歷搜索范圍內(nèi)聽有的點(diǎn)，然后在計(jì)算的所有點(diǎn)的MAD中找到最小值，該點(diǎn)所在位置即對應(yīng)最佳運(yùn)動矢量。但是正因?yàn)樗歉F盡搜索因此會產(chǎn)生巨大的計(jì)算量如[7,7]的搜索區(qū)間每個宏塊16*16需計(jì)算225個MAD