[发明专利]一种基于菱形搜索的多分辨率的快速运动估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及视频编码技术领域，特别是涉及一种基于菱形搜索的多分辨率的快速运动估计方法。

背景技术

上世纪80年代3C(Computers，Communications，Consumer Electronics)的相互渗透与融合催生了多媒体技术并且推动多媒体技术飞速发展与普及。视频编码技术是多媒体技术中的关键技术。现有的视频编码标准包括MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，H.261，H.263，H.264/AVC，都是包括运动补偿帧间预测、分块正交变换与量化、熵编码三类数据压缩方法的混合编码方法，分别去除视频数据表达的时域冗余、空域冗余和符号统计冗余，通过换用更高效率的数据表达方式来提高数字视频数据的传输与存储效率。其中又以运动补偿帧间预测的贡献最大。现有视频编码标准均采用闭环的分块运动补偿帧间预测方法，并且依赖于运动估计所求得的最佳块匹配准则下的运动矢量实现过去帧重建图像数据对当前帧图像数据的最佳预测。运动估计仅出现于编码过程，属于标准不予定义的开放内容，决定了压缩效率、重建图像质量和编码运算量，成为多媒体数据压缩的关键、核心技术。

运动估计的直接实现方法是全搜索。即计算一定范围内所有位置的块匹配量度量。全搜索具有全局最优的意义，但是运算量太大，难以实用，尤其不适合于实时多媒体应用。所以面向实用的局部搜索或者部分搜索的快速运动估计方法应运而生。快速运动估计方法的目标和评估指标是在压缩效率与运算量两项指标之间取得最佳折衷。

最早的快速运动估计方法是三步法，属于分层的运动估计方法，在由粗至细的多个层次上搜索正方形模板的8邻点，上一层的最佳运动矢量为下一层的搜索中心，由粗至细不断精确化。随后的新三步法和四步法利用运动矢量分布偏向中心的统计特性在执行三步法之前执行小范围全搜索，以避免搜索中心过早地跳到远离最优位置的地方。后来的菱形搜索方法沿着最佳块匹配方向逐个像素移动图1的菱形模板去逼近最佳运动矢量位置，见于文献1(J.Y.Tham，etal.A Novel Unrestricted Center-Biased Diamond Search Algorithm for BlockMotion Estimation.IEEE Transactions on CSVT，1998，8(4)：369-377)。统计显示在实时摄取的场景中物体运动集中于水平运动和垂直运动，菱形模板比正方形和圆形模板更能有效把握物体局部运动。如果当前菱形的最佳块匹配位置非中心点，就把该位置作为下一个菱形的中心点继续搜索，直至菱形中心点陷入菱形邻域最佳块匹配位置为止，如图2所示。菱形搜索方法能够最好地利用运动矢量分布偏向中心的特性，以最少搜索点数获得接近全搜索的压缩效率。

菱形搜索方法进一步发展为预测运动矢量场的自适应搜索方法(Predictive Motion Vector Field Adaptive Search Technique，缩写PMVFAST)，见于文献2(A.M.Tourapis，et al.Highly Efficient PredictiveZonal Algorithms for Fast Block-Matching Motion Estimation.IEEETransactions on CSVT，2002，12(10)：934-947)和专利US6842483。PMVFAST在菱形搜索前先执行基于时空层间相关性的搜索中心预测及搜索，依次计算绝对零位移位置、空间相关的搜索中心、时间相关的搜索中心、层间相关的搜索中心最多4个位置的块匹配量度量，以其中最佳块匹配位置为后续菱形搜索的搜索中心。PMVFAST进一步利用运动矢量分布偏向中心的特性，减少运动搜索陷入局部最优而无法达到全局最优的机会，也加快了菱形搜索的收敛。目前实用的运动估计方法均与PMVFAST大同小异，包括六角形搜索方法。