[发明专利]基于运动矢量约束和加权运动矢量的运动补偿预测方法

说明书

技术领域

本发明属于视频编解码技术领域，尤其是一种基于运动矢量约束和加权运动矢量的运动补偿预测方法。

背景技术

数字视频技术在通信和广播领域获得越来越广泛的应用，特别是在90年代后，随着互联网和移动通信技术的迅猛发展，视频信息和多媒体信息在互联网网络和移动网络中的处理和传输成为了当前信息化技术研究中的热点。

视频主宰了人类在信息时代中的信息来源，但未经压缩的原始视频数据往往非常巨大，给存储和传输带来了很大的困难。同时，巨大的视频数据中存在着很多信息上的冗余，这为视频数据的压缩提供了充分的可能性。视频压缩不但要追求高的压缩比(更低的码率)，同时还希望最大程度地保持视频图像重建后的质量。但是，这些需求之间是矛盾的，优秀的编码算法就要寻求这些矛盾之间的最佳平衡。Shannon先后于1948年和1959年发表了完整的率失真理论，从数学上分析得到了如何平衡失真和码率，找到了给定码率下失真的可达上限或者给定失真下码率的可达下限，率失真理论是视频编码的基石之一。

视频编码通过挖掘视频数据中的空间相关性和时间相关性，消除数据中的时间冗余、空间冗余、统计冗余和视觉冗余，以达到压缩的目的。

1952年由Cutler发明的差分脉冲编码调制技术(DPCM，Differential Pulse Code Modulation)是对图像编码技术的最早研究，帧内的DPCM编码挖掘了一帧图像空间上的相关性进行压缩。对于视频信号而言，时域上也存在相关性(时间冗余)，1969年，F.W.Mounts和F.Rocca提出了时域上的DPCM。七十年代，随着对时域相关性的理解的深入，运动估计和补偿技术被提出，直到今天为止，运动补偿技术仍然是视频压缩的核心之一。运动补偿是将视频图像分割成块，在时间相邻的图像之间进行匹配，然后将匹配之后的残差部分进行编码，这样可以较好地去除视频信号中的视频帧与帧之间的时间冗余，达到压缩的目的。与此同时，变换技术在图像和视频编码领域得到了重视，Ahmed等人提出了著名的基于块的离散余弦变换(DCT，Discrete Cosine Transform)，至今为止，仍然被用于视频压缩中。变换编码的核心思想是把视频数据分割成块，利用正交变换将数据的能量集中到较少几个变换系数上。预测编码和变换编码的不断发展，推动了混合编码框架的诞生。J.R.Jain和A.K.Jain在1979年的国际图像编码学会上提出了基于块运动补偿和变换编码的混合编码框架(MC/DCT Hybrid Coding)。它也成为了现代几乎所有的视频编码标准的核心。混合编码框架的核心模块除了预测编码和变换编码之外，还有量化和熵编码两部分。视频编码中信息的损失和压缩比的获得，很大程度上来源于量化模块。量化基本上都采用标量量化技术，即将源信号中的单一样本映射到预定义的码表中的某一固定电平值，形成多到少的映射，从而达到压缩的目的，当然在压缩的过程中就引入了损失。量化后的信号再进行无损的熵编码，消除信号中的统计冗余。熵编码的研究最早可以追溯到20世纪50年代，Huffman编码、游程编码(Run-length coding)和算术编码(Arithmetic coding)的发明。经过几十年的发展，熵编码在视频编码中的应用更加成熟、更加精巧，充分利用视频数据中的上下文信息，将概率模型估计得更加准确，从而提高了熵编码的效率。

作为最成熟的编码标准，在2003年3月，H.264视频编码标准被推出。H.264自推出后得到了国内外学术界和产业界的广泛关注，它在编码效率、图像质量、网络适应性和抗误码等诸多方面都取得了很好的效果，但是其编码算法有很高的复杂度。随着终端和网络技术的快速发展，对视频编码的要求不断提高，为了适应新的要求，H.264需要被进一步地完善。自2010年1月起，视频编码专家组（VCEG）和运动图像专家组（MPEG）共同组建了视频编码联合专家组（JCT-VC，Joint Collaborative Team on Video Coding)来制定新的视频编解码标准，高性能视频编码标准(HEVC，High Efficiency Video Coding)。HEVC被提出作为新一代视频编码标准，并且在2013年1月，ISO/IDE和ITU-T发布HEVC的最终国际标准草案。HEVC现已成为许多科研院所及一些大公司在国际视频编码标准方面的研究热点。HEVC的目标是在保持相同视频质量条件下，与H.264标准相比，码率节省50%。但是，HEVC最新官方参考代码与H.264相比码率节省为22%到37%，尚未达到50%这个目标。因此，HEVC在压缩性能方面仍有较大的提升空间和必要。