MPEG-4中运动估计模块的改进与优化

摘  要  本文对MPEG4视频编码算法中运动估计模块进行了改进，并在此基础上实现了自己的视频编码器，获得了较好的编码效率和性能。实验证明此编码器基本达到了实时编码的需求。

     关键词  MPEG-4；视频编码；运动估计；半像素搜索 1  引言                         MPEG-4在数码摄像机、无线视频通信等多媒体通信领域有着非常广泛的应用。在通用DSP平台上实现MPEG-4的实时编码系统，是当前非常流行的一种方式，但MPEG-4算法的高复杂度，使得要在DSP上实现实时编码，必须要对现有算法进行较大的改进。MPEG-4视频压缩算法^[1]主要包括帧间预测、运动估计和补偿、DCT、量化、VLC编码等环节，其中运动估计是最耗时的部分。因此提高运动估计的效率是整个编码器优化的重点。目前已有多种快速运动估计算法，例如三步法（TSS）、新三步法（NTSS）及菱形算法（DS）等^[2][3]。这些算法基本上都是通过减少搜索点数来减小运算量，但主要都是在整像素搜索的范畴内提出的，对于半像素精度的运动估计一般没有考虑在内，本文通过消除半像素运动估计过程中的冗余计算，提出了对半像素估计算法的改进方案。2 运动估计模块的改进      MPEG4编码器中的运动估计部分一般由三个步骤组成。（1）16*16大小宏块的整像素搜索（2）16*16大小宏块的半像素搜索（3）8*8大小块的半像素搜索      图1中描述了运动搜索方法的基本流程[4]。在 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一个步骤中将当前宏块与参考帧搜索区域中的各个整像素搜索位置处的参考宏块相匹配。然后第二步中以上一步中搜索得到的最佳匹配点为搜索区域的中心，将当前宏块与搜索区域中的半像素位置处的参考宏块相比较。最后以第二步中最佳匹配点为中心，在半像素位置分别匹配当前宏块中的四个8*8块。 图1、半像素搜索过程。X代表 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一步中的搜索点，+代表步骤2种的搜索点，O代表步骤三中的搜索点       从上述步骤中可以看出，在第二步和第三步搜索过程中存在着大量的冗余搜索点。如果第二步搜索过程结束后，最佳匹配宏块位于中心点的话，那么在第三步过程中所有的可能搜索点相对于第二步来说都是多余的。当最佳匹配点不在中心时，这时候第二步和第三步搜索中的冗余情况如图2所示。图中标记重合处即为冗余搜索点。 图2、第
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二、三步冗余点。标记同图1 图3、 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一、
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二、三步中的冗余点。标记同图1       同样的道理，在 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一、第二以及第三步搜索中也存在着大量的冗余搜索点。如图3所示。与以上分析的情况类似，根据第二次搜索结果的不同，一样分为三种情况。当第二次搜索结束后，得到最佳匹配宏块位于中心时，就不再需要进一步的搜索。而当最佳匹配点位于搜索区域边上时，进一步的搜索会产生七个冗余搜索点，其中第二步和第三步之间有六个（图2）。最佳匹配点位于角上的情况下，同样会有七个冗余点。      从上面的分析可以得知，如果能够有效消除半像素搜索中的这些冗余点，那么就可以很大降低运动估计中计算的复杂度。可以考虑将16*16大小宏块搜索分解为同时执行四个8*8大小块的运动搜索。这样的话已经在 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一步和第二步搜索过程中执行过的8*8运动估计就不需要继续在第三步中重复了。第三步骤中冗余搜索点的判断条件可以简单归纳如下。    

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />（1）   搜索点是 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一步中已经搜索过的位置，

    （2）  搜索点位于第二步搜索区域中。      因此在我们的实现中把运动估计模块进行了相应改进，主要包括把宏块搜索分解为8*8块的搜索，并且将先前搜索路径上已经计算过的SAD值和相应运动矢量保存下来，以及在后来的8*8半像素搜索中加入了冗余搜索点的判断条件，以便于略过冗余点的计算。尽管该实现方法中需要额外的比较计算以及少量的内存空间用以保存搜索信息，但是与略过冗余点所节省的大量计算耗费相比，所能节省的运动估计时间还是相当可观的。3 测试与结果分析      我们在对算法改进的基础上，基于TI的TMSC62x平台实现了自己的编码器，并对其他某些模块结合C62x的硬件特性进行了相应优化。表1给出对标准测试序列进行编码优化前后的对比测试结果。实验中对news（播音员）和tempete（风吹落叶）两个测试序列分别测试算法优化前后的性能，表中给出的数据为编码单帧视频图像所需平均周期数。 表1、MPEG4编码器优化前后性能比较

序列	格式	优化前(cycles)	优化后(cycles)
news	CIF	112359702	8064527
tempete	CIF	107861491	10692139

        表2中为对CIF格式大小的foreman（建筑工人）视频序列经过优化后的编码速率。 表2、优化后视频编码速率

foreman	编码速率(fps)
I-frame	26.8
P-frame	23.4

       从表中可以看出，经过优化实现的MPEG4视频编码器效率得到了很大的提高，对于运动较为复杂的视频序列也达到了较好的编码速率，基本达到了对视频实时编码的要求。在实际中可以广泛的应用于视频通信、远程监控等工程领域。4 结论      由于MPEG4编码复杂度高、计算量大，超出一般DSP芯片的处理能力，所以本文中在算法上重点对运动估计模块的设计提出了自己的一些改进方法，较大降低了运算的复杂度。经过测试，该编码器较好的达到了实时视频应用的需求。 参考文献[1] Information Technology-Coding of Audio-Visual Objects Part 2: Visual, ISO/IEC 14496-2, 1999[2] C.H.Cheung, L.M.Po. A novel cross-diamond search algorithm for fast block motion estimation. IEEE Trans, Circuits Syst, Video Technol, vol 12, 2002[3] Xuan Jing, Lap-Pui Chau. An efficient three-step search algorithm for block motion estimation. IEEE transactions on multimedia, VOL 6, No 3, June 2004[4] Iain E.G.Richardson. H.264 and MPEG4 video compression for next-generation multimedia. Jone Wiley, 2003

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr /> 

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