运动估计算法预测搜索起始点
HEVC运动估计快速算法优化及硬件实现
1 引言高效视频编码（HEVC）作为新一代标准，沿用了上一代标准H.264/ AVC的编码框架[1]。
但是针对不同部分，H.265/HEVC都分别提出了新技术。
比如H.264/AVC是以宏块作为编码单元，而在H.265/HEVC中采用了编码树单元（CTU），其往下划分的结构有编码单元（ CU）、预测单元（PU）和变换单元（TU）[2]。
CU的尺寸不再局限于16×16，而可以根据深度划分，从64×64分割到8×8大小。
而在实际编码过程中，计算量最大的是帧间预测部分，这是由于视频图像时间冗余大于空间冗余的特性所造成的。
在模式选择的整个迭代过程中，以运动估计为例，不同尺寸的PU块都需要经过搜索、插值来找到各自最佳的匹配块。
这是一个繁琐且非常耗时的过程。
目前已有很多学者对帧间预测模式选择提出了一些简化算法，文献[3]提出了一种扩展和迭代搜索（S&IS）以及低密度和迭代搜索（LD&IS）的运动估计算法，这种方式因为在遍历每个PU时具有规则的周期数，所以在硬件电路的设计上更加友好，但是运动估计所消耗的周期数受视频序列特点影响大，如果周期数较为固定，可能会对编码性能造成一定影响。
文献[4]提出了用基于运动矢量相似性的运动估计快速终止算法。
利用率宏块内子块运动矢量一致的特点，通过计算排除掉不可能的划分方式，从而达到提前终止运动估计的目的。
文献[5]也是采用基于划分深度的先粗选再细选的搜索方式，但是采用的搜索步长、下采样比例以及搜索方式均和本文不同，且最终结果对编码性能造成比特率增加较大。
文献[6]采用了一种快速中心搜索算法，通过发现一帧图像中，静止宏块、慢速运动宏块和快速运动宏块的比例关系，改变全搜索的遍历顺序，并设置提前终止规则，达到快速中心搜索的目的。
文献[7]采用了一种易于硬件实现的整像素运动估计搜索方式，使用并行聚类树搜索方式同时处理各个PU，并在搜索之后将相同MV候选的PU汇聚成一组，下一次的搜索将以这些组为单位进行统一搜索。
一种综合搜索策略的快速运动估计算法
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运动估计算法简述
运动估计算法简述标签：搜索运动估计预测矢量算法分类：探索H.2642007-02-03 13:59马上要做运动估计算法，重点整理了一下这方面的内容。
帧间预测编码可以简单地分为单向预测、双向预测、多帧预测。
而H.264标准采用了多帧预测，参考帧可达5—15帧。
运动补偿采用较多的有运动矢量估计[重叠块运动补偿(OBMC)]、全局运动估计、基于象素点的运动估计、基于区域的运动估计、基于网格的运动估计。
1.单向预测原理：将重建帧和参考帧送运动参数估值器(ME)比较得到运动矢量，再将运动矢量和重建帧送到运动补偿预测器中，得预测帧Ft^(x,y)。
Ft^(x,y)=Ft(x+i,y+j) 其中(i,j)即MV2.基于块匹配算法的运动矢量估计简单地说就是以块为单位分配运动矢量。
在前一帧搜索区(M+2Wx,M+2Wy)内找到与当前帧块相匹配的块，位移d(i,j)即为运动矢量。
常用的块匹配准则有：均方误差(MSE)最小准则，绝对误差均值(MAD)最小准则、NCCF准则。
搜索方法：a.穷尽搜索计算(2Wx+1)×(2Wy+1)个MAD值，全局最优，计算量大。
b.快速搜索(1)分层的和多分辨率的快速块匹配方法(2)基于连续消除的快速块匹配方法(3)固定搜索模式的快速块匹配方法(e.g.三步搜索法)(4)基于时空相关性和视觉特性的快速块匹配方法3.重叠块运动补偿(OBMC)为解决方块效应特别是运动矢量估计不准确或物体运动不是简单的平移运动以及一个块中有多个不同物体运动时的问题，采用OBMC方法，即一个像素的预测不仅基于其所属块的MV估计，还基于相邻块的MV估计。
4.运动估计•运动表示法：(1)基于块的运动表示法帧间宏块分割区域大小的选择：大分区，表征MV的选择和区分割类型的比特数较少，但运动压缩的冗余度较高，运动补偿残差在多细节区域能量很高。
小分区，运动补偿残差能量较低，但需要较多的表征MV的选择和区分割类型的比特数，运动压缩的冗余度较低。
基于起点预测的多模板运动估计算法
量． 寻找简便 、 快速和高效 的运动估计算法一直是 视频 编 码领 域 的热 点 ． 石 搜索 法 … Ｄ ） 钻 １（ Ｓ 简单 高 效 ， 现有性 能最 优 的快 速运 动 估计 算 法 之一 ． 是 本 研究对钻石搜索法进行 了分析 ， 出了基 于起点 提 预测 的多模 板运 动估计 算法 ．
： ：
４０ ４ ） ００４
摘要 ： 在钻石搜索法 的基础上 ， 提出基 于起 点预测 的 自适 应六边 形搜索算 法 ． 该算法 设计 了六 边 形和菱形 ２ 种搜索模板 ， 并融合了预判别零运 动矢 量 、 预测搜索起 始点等技 术 ． 实验结 果表 明， 该
算法的搜索速度和精度都优于传统的快速搜 索算 法 ．
运 动估 计 是 视 频 压 缩 中 的关 键 技 术 ， 动 估 运 计 算法 的优 劣直 接影 响视 频 压缩 编 码 的效 率 和质
计算 量 ．ｓ法采 用 了 ２种搜索 模 板 ： Ｄ 大钻 石搜 索模 板 （Ｄ Ｐ 和小 钻 石搜 索模 板 （Ｄ Ｐ ， 图 １ 示 ． Ｌ ｓ） Ｓ Ｓ ）如 所 图 １ａ所 示 为 大 钻 石 搜 索 模 板 ， 模 板 包 括 围绕 ） 该 中心点 的 ８ 点 ， 计 ９个 点 ， 而形 成 一个 大 钻 个 共 从 石形 ； １ｂ所示 为小 钻 石搜 索 模 板 ， 模板 包 括 图 ） 该
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第２ ２卷
第 ８期
重 庆 工 学 院 学 报（ 自然科 学）
Ｊｕ ａ ｏ ｈｎｑｎ ｓ ｔ ｅｏ ｅｈｏ ｇ（ ａ ｒ ｃ ｎｅ ｏｒ ｌ ｆ ｏｇｉ Ｉ ｔｕ ｆ ｃｎｌ ｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ） ｎ Ｃ ｇ ｎ ｉｔ Ｔ ｏ ｕｌ ｅ
２０ ０ ８年 ８月
Ａｕ ｇ．２ ０ ０８
视频压缩中运动估计算法及预测搜索起始点的研究的开题报告
视频压缩中运动估计算法及预测搜索起始点的研究的开题报告一、选题背景及意义随着视频应用场景的不断扩大和高清视频的普及，视频压缩技术逐渐成为解决视频传输和存储问题的一种有效手段。
但是，视频压缩涉及到大量数据的处理，且对处理算法的要求非常高。
特别是在视频编码中，运动估计是最重要的环节之一，它不仅决定了视频的压缩率，还会直接影响到视频质量。
因此，本文选题旨在研究运动估计算法及预测搜索起始点，以提高视频压缩的效率和质量。
二、研究现状分析目前已经有很多关于视频压缩和运动估计的研究，主要涉及的算法有：全搜索算法、分块匹配算法、三步搜索算法、带阈值的三步搜索算法、融合搜索算法等。
其中全搜索算法虽然能够得到最优解，但是计算量非常大，实际应用中很难满足实时性的要求。
随着计算机技术的发展，一些优化算法不断被提出，其中最为广泛应用的是分块匹配算法和三步搜索算法。
但是这些算法仍然存在一些问题，比如搜索的起始点不能够很好地预测，因此需要针对这些问题进一步研究，提出更为优化的算法。
三、研究内容和方案本文的研究内容主要包括两个方面：运动估计算法和预测搜索起始点。
1、运动估计算法本文将综合比较已有的运动估计算法，并提出改进算法，主要包括以下几个方面：(1) 设计有效的匹配方法，减少匹配错误率。
(2) 利用时间和空间信息相结合的方式，提高运动估计的精度。
(3) 对运动场进行有效的预测和补偿，降低预测误差。
(4) 设计优化算法，减少计算复杂度。
2、预测搜索起始点为了减少搜索时间，提高搜索效率，本文将研究预测搜索起始点的算法。
主要包括以下几个方面：(1) 分析运动矢量和相关系数的统计特性，预测搜索起始点。
(2) 利用本地和全局信息结合的方式进行搜索起始点的预测。
(3) 在预测搜索起始点的过程中，考虑场景变化、图像质量等因素的影响。
四、研究预期成果本文将提出一种优化的视频压缩算法，该算法采用改进的运动估计算法和预测搜索起始点算法，能够在保证视频质量的前提下，实现更高的压缩率和更快的编码速度。
基于运动矢量场和方向自适应的快速运动估计算法
需要检测零矢量点即可完成搜索，极大的节省了计算量。
3.2 运动类型判定 根据性质 2，视频序列的运动矢量场具有一致性特性，
如果利用运动矢量的这种时空相关性便可以对当前块的运
动情况做出预测，利于随后进行自适应搜索。实验统计表明，
当前块与帧内上方、左方和右上方的相邻宏块的相关性最
强，而与其他位置的相关性则较弱，M-DAS 算法选取这 3
摘 要 该文提出了一种基于运动矢量场和方向自适应的快速搜索算法。算法针对序列图像的运动矢量场所具有
的中心偏置性和时空相关性进行预判，对静止块设定阈值直接中止搜索；根据运动类型自适应选择搜索起始点和
搜索策略；采用了两种新的混合搜索方法，对小运动和大运动宏块使用线性-菱形搜索，对中等运动块使用六边形-
菱形搜索算法，搜索模板具有强烈的方向特性。实验结果表明，该文算法的搜索速度和搜索精度优于现有的快速
性质 4 残差图像的误差曲面具有多峰分布的特性，在 大多数情况下，误差曲面含有一个或多个局部极小点[9]。因 此搜索模板不能太小，以免陷入局部极小点。
图 1 运动矢量的空间分布图 图 2 图像宏块的 SAD 分布图 Fig.1 Spatial distribution map of MV Fig.2 Distribution map of SAD
个空间邻块和参考帧中相同位置的时间邻块作为候选点进
行预测。定义运动矢量集合
V = {V0,V1,V2,V3,V4}, V0 = (0,0), Vi = (xi , yi ), i = 1, 2,3, 4, 分别表示 4 个时空邻块的运动矢量，定义运动矢量的绝对值
距离 li 为
li = xi + yi
3 基于运动矢量场和方向自适应的快速运动估计 算法
自适应运动估计搜索算法
了 自适应 运动估计算法 。算法 以时空相邻块 的运动矢量预测 搜索起点和运动类型 ， 自适应 的选 用搜 索模 式和终止准则 ， 实
现视频图像的快速高效运动估计 。
１ 自 适应运 动估 计搜 索策略
１ １ 搜 索起 点 的预 测 ．
由于运动物体 的整 体性 和视频运 动的连续 性 ， 因此视 频 的运动必然具有 时间和空 间上 的相 关性 ， 这种相关 性可用来
自适 应 运 动估计 搜 索算 法
杨 琛 白 波 ，
（ ．上 海水 产 大学 海 洋 学院 ， 海 ２０９ １ 上 ０００； ２ ．上 海移动信 息技 术有 限公 司 ， 海 ２０８ ） 上 ００ １
（ ｎ ｉ ａ ｇｈ １ ３ ｅｍ） ａ ｎｅ ｎ ｃ＠ ．ｏ ｙ ６
摘
要 ： Ｅ － 为新 一代 的视 频 图像 编码 器有 着广 泛 的应 用前 景 ， 动 估计 与运 动 补偿技 术 ＭＰ Ｇ４作 运
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第２ ６卷
２０ ０ ６年 ６ 月
文章编号 ：０ １ ０ １２ ０ ） ６ ０ ４ ０ １０ —９８ （０ ６ ０ Ｚ一 ０ １－ ３
计 Ａｐｐ ｉａｉｎｓ ｌ ｔｏ ｃ
Ｖｏ ． ２ １ ６
Ｊｎ ０ ６ ｕ ｅ２ ０
为 Ｍ Ｅ － 关键 技 术之 一 ， Ｐ Ｇ４的 由于运动 估计 非 常耗 时 ， 因此 对编码 的 实时性影 响很 大 。在分 析视 频 图 像 时空域相 关性 和 已有 的运 动估 计 算法 的基础 上提 出 了 自适应 运 动 估计 搜 索算 法 ， 经测 试表 明该 并 算法在编 码速 度和 质 量上都 有较 大改进 。 关键 词 ： 关键 词 ： Ｅ － ； ＭＰ Ｇ ４ 自适 应 ； 动估 计 运
一种用于运动估计的十字六边形搜索算法
中 图分类号：Ｐ９ Ｔ３１
种 用于运动估 计 的十 字六边形搜 索算 法
吕 瑞 ，卿粼波 ，何小海 ，龙建忠
（ 四川大学 电子信 息学院图像信息 研究所 ，成都 ６ ０ ６ ） ｌ０ ４
摘
要：提 出了一种十字 六边形搜索算法 用于快速运动估计 。 该算法利用 了运动矢量的中心偏置性和相关性 ， 运动估计 时通过预测确定搜
［ ｓｒｃ］Ａ ｒｓ ｈｘｇ ｎｓａｃ （ Ｓ ａｇ ｒｈ ｉ ｐｏ ｏｅ ｏ ａｔ ｔ ｎｅｔ ｔ ｎＭＥ）Ｃ ｌｏｉ ｍ ｔｉ ｓｂ ｔ ｅｃｎｅ ｂｓｄ Ａｂｔａ ｔ ｃｏ ｓ ｅａｏ ｅｒｈＣＨ ） ｌｏ ｔｍ ｒｐ ｓｄ ｆｒｆｓ ｍｏｉ ｓｍａ ｏ （ ． ＨＳａｇ ｒｈ ｕｉｚ ｏｈｔ ｅ ｔ￣ａｅ ｉ ｓ ｏ ｉ ｉ ｔ ｌｅ ｈ ｌ
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值 ，左 块 ， Ｓ Ｄ 比较 等 方 法 进 行 了 理 论 介 绍和 实 验 分 析 ，提 出一 种 新 的 预 测 搜 索起 始 点方 法 。该 方 法 是 利 用相 Ａ 邻 块 运 动 矢 量 的相 关 性 和 运 动 矢 量 的 偏 向 分 布特 征 给 相 邻 块 分 配 不 同的 权 重 来 预 测 搜 索 起 始 点 。实 验 结 果 表 明 对 不 同种 类 的 标 准 测 试 序 列 新 方 法 比其 它 方 法 能够 减 少 更 多 的 搜 索 点 数 ， 减 少 搜 索 点 数 的 总 数 达 到 ２ ． 且 ９２ ４
２ １年 第 ２ ０１ ０卷 第 ２期
计 算 机 系 统 席 用
运 动估 计算法预Байду номын сангаас搜索起始点①
薛 冲 冲 ，陈 坚
（ 南 火 学 计 算 机 与信 息 科 学 学 院 ， 重 庆 ４ ０ １） 两 ０ ７ ５
摘
要 ：高 精 度 的预 测 搜 索 起 始 点 方 法 可 以减 少 运 动 估 计 算 法 的搜 索 点 数 ，提 高搜 索 速 度 和 精 度 。 对 巾值 ，均
ｐ ｉ ｓ ｒｐ ｓｄ Ｔ ｅｎ ｖｌ ｅｈ ｄａｓ ｎ ｉｅｅｔ ｅ ｔｔ ｅ ｄａｅｔ ｌｃｓＥ ｐ ｒ ｅ ｔ ｓｌ ｏ ａ ｏ ｔ ｏ ｏｅ ． ｈ ｏ ｅ ｍ ｔｏ ｓｉ ｓ ｆ ｒｎ ｉ ｓｏｔ ｊｃｎ ｂｏｋ． ｘ ｅｉ ｎａ ｒ ｕ ｓ ｈ ｗｔ ｔ ｎ ｗａ ｐ ｇ ｄ ｗ 曲 ｈ ａ ｍ ｌｅ ｔ ｓ ｈ ｈ ｎ ｖｌ ｔ ｄｇ ｉ ｅ ｅ ｒｄ ｃ ｏ （９２ ｉ ｈ ｕ ｂ ｒ ｆ ｅｒｈｎ ｏ ｔ ｅ ｔ ｉｅ ｎ ｎ ｆｃ ｔ ｉ ｔ ｏ ｅ ｍｅ ｏ ａ ｓｂａ ｒ ｅｕｔ ｎ２ ． ）ｎｔｅｎ ｍ ｅ ｏ ａｃｉｇｐ ｉ ｖｒ ｅｄ ｆ ｅｔ ｉ ｓｏ ｉ ｒ ｎ ｅ ｈ ｎ ｉ ４ ｓ ｎ ｏ ｈ ｆｒ ｋ ｄ ｒｅ ｏ ｔ ｔ ｇｖｄｏｓｑ ｅｃ ｎ ｏｅ ．１Ｂ ｉ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｎ ｉ ａ ｏＰ Ｎ ） ｅ ｉ ｉｅ ｕｎｅ ｄｍｐ ｖｓ ７ ｄ ｅｋｓ ｎｌｏ ｏｓ Ｒ ｔ （Ｓ Ｒ ． ｓｎ ｅ ａ ｉ １ ｎ ｉ ｅ ｉ
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Ｐ ＮＲ提 高 １７ ｄ Ｓ ． ｌ Ｂ。
关键词 ：运动估计 ；预测搜索起始点的方法 ；实验分析
Ｐｒ ｄｉｔｏ ｆＳｅ ｒ ｈｉ ｇ Ｉ ｉｉ ｌ ｉ ｏ ｏ ｉ ｎ Ｅｓ ｉ ａ ｉ ｎ ｅ ｃ ｉ ｎ ｏ ａ ｃ ｎ ｎ ｔａ ｎｔ ｒＭ ｔｏ ｔｍ ｔｏ Ｐｏ ｆ
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ｌ 引 言
在 视 频 数 据 压 缩 中 ，利 用 运 动 估 计 和 运 动 补 偿 来
运 动估 计 算法 一 直 是视 频压 缩 编 码 领 域 中 的 重 点 研 究 方 向。 目前 ，运 动 估 计 算 法 的 研 究 重 点 方 向之 一 就 是搜 索起 始 点 的选 择 在 宏 块 的 那 个位 置 开始 执 行 运 动 估 计 算 法 可 以减 少 搜 索 点数 同 时 提 高 匹 酉度 。没 己 有进 行 起 始 点预 测 的情 况 下 搜 索 都 是 从 零 点 开始 的 ，