本科毕业设计(论文)视频压缩中基于快匹配算法的运动补偿预测(编辑修改稿)

本科毕业设计(论文)视频压缩中基于快匹配算法的运动补偿预测(编辑修改稿)内容摘要：

们希望无论何时何地都能够方便、快捷、灵活的通过语音、数据、图像与视频等多种方式进行通信。 视觉信息给人们直观、生动的形象，图像 /视频的传输更受到广泛的关注。 数字信号处理技术、物理媒体与网络技术、超大规模集成电路技术突飞猛进的发展，使得多媒体通信成为研究和 应用的热点。 其中，最为关键的技术是数字视频的处理和传输技术，它将电视技术、计算机技术和通信技术结合在一起，在电视系统、计算机网络和通信产业中得到了广泛的应用，己经进入千家万户的日常生活中。 数字视频硬件方面的进步和有关数字视频压缩国际标准的推出，使得数字视频技术领域趋于成熟。 自 20 世纪 90 年代以来，国际电联 ITU 和国际标准化组织 ISO先后颁布了一系列视频编码和多媒体视频通信的建议和国际标准。 如 ISO/IEC成立了 JPEG (Joint Photographic Expert Group)和 MPEG(Moving Pieture Experts Group)并先后完成了 JPEG、 JPEG20 MPEGl、 MPEG2和 MPEG4标准的制定。 ITUT也先后制定了 、 (与 MPEG 组织合作 )、 +和 (与 MPEG 组织合作 )等一系列国际数字视频压缩编码标准。 它们为视频编码技术的发展起到了巨大的推动作用。 在传统的图像通信领域，例如基于 ISDN、 PSTN 以及 DDN 的会议电视和可视电话等视频通信业务取得巨大成功的同时，新的多媒体通信方式也不断出现，尤其是Inter和数字移动通信的迅速普及，利用 IP 网络以及宽带无线网络进行图像和视频信息的传输成为倍受人们重视的新方式。 但是大量频繁的图像、视频信息的交流与存贮活动也带来了许多新要求和新问题，例如视频图像巨大的信息量与当前有限的信道带宽和传输效率已成为制约多媒体技术发展的一个重要瓶颈，因此人们在努力增加信道带宽和提高信道传输效率的同时，对视频图像采取高效的压缩编码己成为目前的研究热点。 例如， 1幅 640x450 分辨率的彩色图像 (24 比特 /像素 )，其数据量约为，如果以每秒 30 帧的速度播放，则视频信号的传输速率高达 ，如果存放在容量为 650MB 的光盘中，在不考虑音频信号的情况下，每张光盘也只能播放24 秒。 由此可见，数字视频信息的数据量是非常巨大的，若不经过压缩，数字图像 西南交通大学 本 科 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 传输所需要的高传输速率和数字图像存储所需要的巨大容量将成为推广应用数字视频技术的最大障碍。 要解决多媒体信息存储容量大、数据传输率高的难题，就需要采用压缩技术。 研究发现，图像数据表示中存在大量的冗余。 通过去除那些冗余数据可以使原始图像数据极大的减少，从而解决图像数据量巨大的问题。 对于静态图像，最主要的数据冗余是空间冗余。 图像帧记录了可见景 物的颜色，而同一景物各采样点的颜色之间存在着空间连贯性，但基于离散像素采样来表示物体颜色的方法通常没有利用景物表示颜色的这种空间连贯性，因此产生了空间冗余。 序列图像帧内存在空间冗余，而帧间则存在着很大的时间冗余。 这是由于序列图像一般是位于同一时间轴区间内的一组连续画面，其相邻帧间变化量一般很小，只是表现为移动物体所在的空间位置略微不同。 运动估计和运动补偿技术就是解决图像帧间时间冗余的很好的方法。 运动估计与运动补偿是现阶段视频压缩编码的关键技术。 它是一种实现帧间编码的方法，利用前后两帧或若干帧之间的时间相关 性，去除时间冗余度。 帧间编码之所以能减少冗余度，是因为在一般视频序列的两帧之间有很大的空间结构相似性，前后两帧的差帧可以用比帧内编码所需少很多的比特数来进行编码。 而帧间预测的方法基本上是以基于块匹配的运动估计 (补偿 )算法为主。 运动估计目前面临的主要问题就是如何比较快速的得到比较准确的运动矢量，因为在整个视频编码的过程中，即使采用快速算法，运动估计仍然是耗时最长、资源占用最高的环节，如在 的编码过程中，在采用著名的三步快速搜索法的情况下，运动估计仍要占用整个编码过程的 63%的计算量。 而在 编 码器中，运动估计也还占用了 42%的计算量。 因此，运动估计成了视频压缩编码的瓶颈，特别是对于帧幅较大、帧频较高的视频对象，在编码实时性和硬件实现方面，运动估计还有很多潜力可挖。 基于上述原因，高效快速的运动估计算法一直是视频压缩编码领域的研究热点。 从全搜索到三步搜索法、菱形搜索、以及六边形搜索法等， 提 高了基于块匹配的运动估计算法的性能，使实时应用成为了可能，但是由于实际需求越来越高，所以也要求我们不断的改进运动估计算法以满足现实的需求。 基于块匹配的运动估计作为视频编码的关键技术，需要解决的问题是如何提高它的估 算速度和精度。 而鱼和熊掌不能兼得，这两个指标在实际计算过程中往往无法同时达到最优，如何解决这个折衷问题具有很高的理论和实际意义，是一个图像处理领域和图像通信领域极其重要的研究课题。 它的研究和应用必将促进计算机通信、图像 西南交通大学 本 科 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 通信和多媒体技术的发展。 本课题的意义在于，通过实验和仿真，比较了各种算法的优缺点，找出了最优的算法，确保视频压缩的质量。 力求在己有算法的基础上寻找一种新的思路，找出了一种优化和改进的块匹配运动估计算法，使其能够在保证图像质量的同时，搜索速度得到较大的提高。 视频压缩技术介绍 对视 频进行压缩，就要了解视频的构成。 普通的未压缩视频都是由一帧帧图像序列组成的，一般 1 秒中包含 24帧图像。 一般图像的变化都很小，而且变化都是局部的，甚至是静止的，这样就可以从中找到突破。 数字视频中的这些情况都可以称为信息的冗余，因此可以通过除去这些冗余数据来减少大量的原始视频的数据量，从而达到数据压缩以解决 视频传输中数据不便传输的问题。 通常的视频信息中存在以下三种冗余： [1] 空间冗余：这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。 研究数据表明，图像帧内的行、列相邻点之间的相关性可以达到 90%以上。 时间冗余：这是视 频里图像序列中最经常包含的冗余。 视频序列前后帧之间存在着较大的相关性。 同样有研究证明活动图像相邻帧同一位置上前后样值的相关性也达到 90%以上。 视觉冗余：人类的视觉系统对图像的敏感性是非均匀的和非线性的。 人的视觉系统 (HVS)对于某些失真并不敏感。 然而，在记录的原始图像数据时，通常假设这个系统是均匀的和线性的，对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而产生了比理想编码更多的数据，这就是视觉冗余。 视频信号都是由一系列单独的图像帧组成。 每一帧都可以利用图像编解码器(JPEG)进行帧内编码 (Intraframe Coding),每一帧在内部先进行编码而没有考虑到其它的帧。 消除视频序列中的时间冗余（连续视频帧中的相似性），可以达到更好的压缩效果。 具体可以通过给图像编解码器增加一个“前后帧”来实现，主要有以下的两个功能： (1)预测：从一个或多个先前传输的帧来建立对当前帧的预测； (2)补偿：从当前帧中减去预测帧来产生“残差帧”。 接着用图像编解码器来处理这个残差帧。 经过这个处理，残差帧将包含很少的数 西南交通大学 本 科 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 据，因而可以用图像解码器对它进行有效的压缩。 为了解码帧，解码器必须进行逆反补偿过程，把预测加到解码的残差帧中，这就是帧间 编码 (Interframe Coding)。 视频编码标准的最重要的发展都是源于两大标准组织： ITU(前身是 CCITT)和ISO。 1986 年， ISO 和 CCITT 联合成立了“联合图片专家组（ JPEG Joint Photographic Experts Group）”，于 1991 年 3月提交了用于灰度等级和颜色两方面连续变化静止图像编码的 JPEG 建议草案，于 1992 年 7月通过证实标准。 1988 年， MPEG(Moving Picture Expert Group)运动图像专家组成立，它致力于运动图像及其伴 音编码标准化的工作，包括 MPEG 系统，即 MPEG 视频和 MPEG 音频。 原先共有三个版本 MPEG1， MPEG2， MPEG3，后来又增加了 MPEG4， MPEG7等，不同的版本对应了不同的应用场合及相关的视频质量，对多媒体通信的发展起到了巨大的影响。 [2] (1)MPEG1 MPEG1制定于 1993 年，是针对 以下数据传输率的数字存储媒质运动图像及其伴音编码的国际标准。 MPEG1用于在 CDROM上存储同步和彩色运动视频信号，可优化为中等分辨率，并在这个优化模式下，采用标准交换格式 (SIF)。 它可针对 SIF标准分辨率 (对于 NTSC 制为 352 240；对于 PAL 制为 352 288)的图像进行压缩，传输速率为 ，每秒播放 30 帧。 MPEG1对色差分量采用 4:1:1 的二次采样率。 MPEG1旨在达到 VRC 质量，其视频压缩率为 26:1。 (2)MPEG2 MPEG2制定于 1995 年，它追求的是 CCIR 601 建议的图像质量 DVB,HDTV 和 DVD等制定的 3Mbps~10Mbps 的运动图像及其伴音的编码标准。 MPEG2 在 NTSC 制式下的分辨率可达 720 486,MPEG2能够提供广播级的视像和 CD级的音质。 由于 MPEG2在设计时的巧妙处理，使得大多数 MPEG2 解码器可播放 MPEG1格式的数据。 正因为MPEG2的出色性能表现，已能适用于 HDTV。 除了做为 DVD 的指定标准外， MPEG2还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。 还可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求。 对于最终用户来说，由于现存电视机分辨率的限制， MPEG2所带来的高清晰度画面质量 (如 DVD 画面 )在电视上效果并不明显，反而其音频特性 (如 加重低音，多伴音声道等 )更引人注目。 西南交通大学 本 科 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 (3)MPEG3 MPEG3是 ISO/IEC 最初为 HDTV 开发的编码压缩标准。 但由于 MPEG2的高速发展， MPEG3的功能已被淘汰，其原来的工作由 MPEG2小组承担。 (4)MPEG4 MPEG4于 1998 年 11月公布，该标准提出了基于对象编码的概念，不仅针对一定比特率下的视频编码、音频编码，更加注重于多媒体系统的交互性和灵活性。 MPEG4标准主要应用于视像电话 (Video Phone)，视像电子邮件 (Video Email)和电子新闻(Electronic News)等，其传输速率要求较低，在 480064000bits/sec 之间，分辨率为 176 144。 MPEG4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以最少的数据能取得最佳的图像质量。 MPEG4是第一个让用户由被动变为主动的动态图像标准，从根源上说， MPEG4 将自然物体与人造物体相溶合 (视觉效果意义上的 )，其试图达到两个目标：低比特率下的多媒体通信及多工业的多媒体通信的综合。 据此目标， MPEG4引入了 AV 对象 (Audio/Visual Objects)，从而使得更多的交互操作成为可能。 MPEG4的应用前景可以说非常广阔。 它的出现能推动以下的几个方面：数字电视、动态图像、万维网 (WWW)、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、Inter/Intra 上的视频流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、 DVD 上的交互多媒体应用、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用等。 MPEG4技术还在不断的完善和发展当中，新的 MPEG4标准的应用正在促进多媒体压缩技术经历另一次重大变化。 这一变化会与 1990 年 MPEG2压缩标准的推出一样巨大，而且随着视频通信应用的快速发展， MPEG4 标准势会影响到范围广泛的。