数字视频处理中的块匹配运动估计技术.docx

文章编号!#$%&#(#!#!$%#!&!#$%&()*+,-./01张骥祥! 戴居丰! 张春田天津大学 电信学院! 天津 )*#!(论文(# 摘 要 $ 阐述了用于运动图像位移估计的块匹配技术$通过计算机模拟对各种算法性能进行了分析比较$提出了块匹配运动跟踪和补偿算法的改进方法% 关 键 词& 运动估计& 块匹配& 运动补偿% 中 图 分 类 号& +,(!-! +.)!-&% 文 献 标 识 码 & /#$%&()*%+,-. ($*,$- /0*,1)*,$- 23%+-,453 6$7 8,.,*)# 9,:3$ ;7$%300,-.01/,2 34$54678$ 9/: 3;$?;7$467!#$% $& %()*$+, -+. /+&$*0-),$+ +1,+(*,+12 3,-+4,+ 5+,6(*7,)82 3,-+4,+ 9:;! =#,+-$%=0*7)%*& :7 ?4A B6B=CD EFGHI$J6H?478 J=?GK GJB6C4AG7 G ?= 6F8GC4?J BCGB=C4=A AKG7= EL HGJB;=C A4J;F64G7- :JBCGM=K J=?GKA 3? $7:0& JG4G7 =A4J64G7 EFGHI$J6H?478 J=?GK JG4G7 HGJB=7A64G7引言目前$ 在数字视频技术中最常见的运动估值技 术是块匹配算法%在块匹配算法中$估计运动矢量最 准确的方法是全搜索N;FF A=6CH?(O!P 块匹配算法$ 但 因其计算量大$ 算法效率低$ 难以应用于实时处理% 为减少搜索次数D常常使用快速搜索方案$其典型算 法有三步搜索法)+?C=$A=B Q=6CH?(O#P* 交叉搜索法 CGAA$A=6CH?(O)P和分级块匹配算法1RS(O(P% 以上算 法中$全搜索算法的搜索次数最多$交叉搜索次数最 少$三步法和分级块匹配介于两者之间%位移估计的 精度与运算量相关% 上述快速算法虽然减小了计算 量$但实现比较复杂$而且上述快速算法由于搜索中 存在大量的搜索空区$ 所以存在搜索到非最优点的 情况$从而使帧间预测误差增大%本文提出了对 S-R4=CF478 的分级块匹配运动跟 踪和补偿算法的改进方法$ 消除了以上快速算法的 缺点$同时$具有相对较小的计算量和较高的估计精的搜寻块会有相似或相同的像素模式$因此$需要大测量窗匹配大位移&若选取很大测量窗$在窗内位移 矢量场可能不是常量$因而导致估计不精确%分级块匹配算法$使用 ) 次大小不同的测量窗$ 重复 ) 次使用三步搜索法! 第一步 第一级( 使用较 大的测量窗&第二步在第一级的基础上$使用一个较 小的测量窗$再次进行位移估计&第三步在第二级估 计的基础上用更小的测量窗$ 得到一个精确的位移 估计% 这样$两个连续传输帧 第 $! 帧和第 帧( 帧间的位移矢量$可由这 ) 次使用的测量窗得到的估 计矢量之和求得$分级位移估计基本原理示于图 !%!度$可应用于 19+T 信源编码%计算机模拟结果表明$此种算法能够适应帧间大位移$如典型的文艺节目和运动场景$且能保证亚像素的估计精度%分级块匹配改进算法的设计二级分级块匹配根据分级块匹配原理$ 笔者设计了二级块匹配ABA分级运动估计算法的改进分级块匹配算法原理块匹配算法位移估计的可靠性和精度$#-#-!#ABC算法参数% 其基本搜索处理是 F8 ?($A=B 技术$ 它依赖于是修正的三步法$? 依赖于最大位移 .?U . VJ65J65测量窗尺寸的选择以及它对帧间运动的适应性% 一些快速搜索方法都是使用一个固定尺寸的测量窗$ 这对于帧间运动不大的场合能有好的补偿效果$ 但 物体的运动较为剧烈时$效果可能不太好$原因之一!W% 第一级测量窗大小选为 !&X!& B=F$搜索范围为Y* B=F&第二级测量窗大小选为 %X% B=F$搜索范围是Y) B=F% 因此$此种算法搜索能力是Y! B=F% 第一级匹 配点的间隔是 !& B=F$第二级是 % B=F% 即在第一级的 水平和垂直方向上$ 每 !& 个点计算一次位移估计$就在于物体已经移到搜索范围之外%如果选择测量窗尺寸过小$而帧间位移大时$ 位移估计不可靠$ 因为在相应小搜寻区域内$在匹配准则下$运动不相关在第二级每 % 个样点进行一次位移估值%第一级一个 !&X!& B=F 块的初始位移矢量$被第二级把它一Z天津市自然科学基金资助项目!DAEFDDCCC分为四的 ! 个 # $%& 块所采用!作为初始估计矢基础上!采用双线性内插技术!双线性内插模板为量此种位移估计算法搜索过程如图 所示!其参数如表 ( 所示( ( (!第二级也采用全搜索方法! 搜索在内插后的图像上进行!得到 ( 0 ) $%& 精度的位移矢量此种算法能搜索的最大位移是1(2*3 $%&若采用 普 通 的 单 级 全 搜 索 方 法 达 到 此 种 性 能 # 位 移 估值1(2*3 $%&!( 0 ) $%& 精度$!计算一个位移矢量!搜索 次数为 3 !,( 次!而此算法只需 !3, 次!大大减少了 计算量!同时也保证了位移估值精度%算法的参数列于表 ) 中第一级测量窗尺寸为(45(4 $%&! 搜索范围是1(! $%&! 位移估计精度是 )$%& 第二级在第一级粗估计的基础上进行精估计! 测量窗尺寸是 # $%&!为第一级测量窗面积的 ( 0 ! 最大搜索位移是1.*3 $%&!位移估计精度是 ( 0 ) $%&%表 )改进算法参数表表 (分级结构位移估值器各层参数分级块匹配位移估计算法由粗估计和精估计得到两种精度的位移矢量! 可根据码率状况或图像内 容适当地选择位移矢量! 从而达到自适应运动补偿 的目的%矢量选择既要保证图像质量!也要考虑位移二级分级块匹配的改进本 文 提 出 了 一 种 用 于 运 动 补 偿 的 位 移 估 值 算 法! 运动估计矢量由粗估计和精估计两级运动矢量 合成!通过矢量选择器输出此分级结构自适应的位 移估算法!不仅适用于大的位移估计!同时保证了估 计精度!估计精度可以达到亚像素水平图像的多分辨率表达形式可用于块匹配算法来)*)*)矢量编码效率%笔者设定一个阈值门限 !同时!计算当前帧与参考帧对应块间的预测误差! 取对应块间的 #$ 值% 当 %& 值! 时输出精估计位移矢 量!当 %& 值! 时!只输出粗估计位移矢量%仿真实验实 验 采 用 意 大 利 无 线 电 研 究 中 心 提 供 的6789:;9?(A;B= 测试序列对 3 种块匹 配算法C全搜索法)DE$*三步搜索法)BEE$*正交搜索 法)FE$*二级块匹配算法)A8?$及改进算法G进行了 计算机模拟% 实验中对测试序列 3,H4, 帧作了模拟 实验! 计算出了各帧的运动补偿图像与原始图像的 均方根误差*信噪比% 算法实验参数如表 . 所示&图! 为第 3! 帧*33 帧帧间位移示意图& 图 3 和图 4 分 别给出了预测图像与原始图像的均方根误差和信噪 比曲线%从实验数据分析可看出!改进算法和原二级 块匹配算法)A8?$相比!具有较小的均方根误差和 较高的信噪比!因而能够进行更好的运动补偿预测%.改善运动估计为了实现位移估值由粗估计到精估计!笔者吸取了分级块匹配的基本思想!同时把图像按分辨率分层 在粗估计级!为了减少计算量!对像 素进行亚抽样同时!为减少在使用匹配准则时的风 险!提高估计的可靠性!使得亚抽样信号充分反映图 像的实际情况!具有充分的代表性!对像素进行预处理+低通平均滤波采用的滤波模板为( ( ( ) ( ( ( ( ( (,图像滤波后!进行 )-( 亚抽样!第一级在原图像亚抽样栅上全搜索!搜索栅如图 .!/ 为起始点J4 J! J) , ) ! 4( + ( , ( , ( , ( , ( , ( ( , ( , ( , ( , ( , ( , ( ( , ( , ( , ( , ( , ( , ( ( , ( , ( ,/ , ( , ( , ( ( , ( , ( , ( , ( , ( , ( ( , ( , ( , ( , ( , ( , ( ( , ( , ( ,( , ( , ( , (4!), J) J! J4图 .第一级搜索栅估计精度由第二级来提高!第二级在第一级的层 最大位移 0 $%& 测量窗尺寸 0 $%& 匹配点间隔 0 $%&第一层)三步法$12(4I(4(4第二层)修正三步法$1.I级数 窗 0 $%& )KLM 0 $%&抽样 次数 精度 0 $%&一 (4I(41(!)N()3)二IO.*3否)3( 0 )小结本文对块匹配运动估计的几种算法性能#运算量进行了分析比较:并设计了一种由粗估计到精估计的分级块匹配算法$仿真实验结果表明$此算法具有简单#计算量较小#搜索位移大#精度高等优点%不 仅能适应大位移情况$同时$位移估计矢量场也能精 确地适应图像的局部特性%参考文献FCG 7i13 QJ%1( L4 &-&(13 X&,) %)R#&*-4 C?b4 a2 T%k*(&R n133: T7O4F;G h11-1*(J31 I: O1) h O4 Q)(&)* R)9*#1(, &*(%8%19&91- %,&R(&)*4 7%1*# )* S)99J*&R1(&)*#: C?_b: SlQ E=CcB CCCECCb4F=Go/1*a1%& Q47/ R%)# E#1%R/ 13-)%&(/9 8)% 9)(&)*#(&91(&)*4 5 7%1*#4 S)99J*4: C?: =_B ?bG e&%3&*- Q4 R9*( #(&91(&)* a2 /&%1%R/&R13 a3)RiE91(R/&*-4 T%)R4 K&#J13 S)994 1*, 591- T%)R4: IT5 C?_: C;E?bC4FbG nJ1*- N: p/1*- q n: N1*- S I4 7.) a3)RiEa1#, 9)k(&)* R)9*#1(&)* 9(/),# 8)% X&,) R),&*-4SIK7: C?D: DCcB C;=EC;D45 7%1*#表 =几种算法实验参数表FDG 范宏寅$ 张 春 田4 一 种 改 进 的 TS 块 匹 配 运 动 估 值 算 法4信号处理$C?U$C=;c&CbbECD4作者简介#张骥祥!(+$)$博士生&戴居丰$教授$博导&张春田$教授$博导(!责任编辑# 刘伯义收稿日期# !&)(!)#!上接第 ! 页!#$%&(&)* +),&*- .&(/ 01*2 +/1*3#4 5666 7%1*#4 5*8)%947/)%2: ;?AB ;C4FDG H&* I/JE*1*: K(%) L: M1*- N1)4 O1(EP&#()%(&)* L*132#&#)8 (/ QJ3(&3 !#R%&(&)* Q)(&)* S)9*#1(&)* K&,) +),&*- IR/94 5666 5+LIIT: ;4FUG 7&1* +: V919& I I4 W*&X%#13 QJ3(&3 P#R%&(&)*IR131% YJ1*(&Z1(&)*B L*132#&# 1*, P#&-*4 %)R,&*-# )8 (/ 1(1 S)9%#&)* S)*8%*R: ;=4F_G 1X%&3#RJ L 5: QJ*(1*J L: ( 134 69a, QJ3(&3W#&*- QJ3(&3 #R%&(&)* Q)(&)* S)9*#1(&)*4 5ddd 7%1*#)* S&%RJ&(# 1*, I2#(9# 8)% K&,) 7R/*)3)-2: ;=_Eb;4FC=G VJ1*- S/J*-EH&*: ( 134 QJ3(&3 #R%&(&)* 1*, Q1(kR/&*- TJ%#J&( S),&*- 8)% K&,) 7%1*#9&#&)* )X% (/ 5*(%*(45ddd 5SLIIT: ;bE;_4FCGH)(81331/ l L:T1*R/1*1(/1* I4L,1(&X QJ3(&3#R%&(&)* S),&*- 8)% *(%*( K&,)4 SLIIT: ;=:bcB U=;EU=b4FCbG H N*ES/&: L3(J*a1#1i NJR34 L S)331a)%1(&X QJ3k (&3 #R%&(&)* 7%1*#8)%9 S),&*- 1*, I(1(&#(&R13 %)% S)*R139*( Q(/), 8)% %)% O#&3&*( K&,) I(%19&*- )X% m) S/1*3#4 SLIIT: ;: ;cB ;UUE;_4FCDG H N*ES/&: ( 134 L S)%,&*1(, QJ3(&3 #R%&(&)*IR131% YJ1*(&Z% 1*, %)% S)*R139*( L3-)%&(/9 8)% %)%P#R%&(&)*IR131%YJ1*(&Z%#8)%T%)-%#&X591-7%1*#9&#&)*4 5666 5SLIIT: ;=: bcB U=DEU=?4F?G M1*- N1): O&a91* L O: ( 134 L* 59%)X9*( () QJ3(&3 P#R%&(&)* 7%1*#8)%9 +),&*-4 5ddd 7%1*#4 )* I&-*13T%)R#&*-: ;: b=E;_b4