运动估计算法MATLAB课程设计

运动估计算法MATLAB课程设计
课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：
题目: 运动估计算法
初始条件：
MATLAB软件平台
要求完成的主要任务:
1.设计任务
设计视频压缩系统中的运动估计算法：全搜索法（FS: Full Search）和三步法(TSS: Three Step Search)，比较二种方法的搜索点和每帧的峰值信噪比（PSNR：peak signal to noise ratio）
2.设计要求
编制算法代码；对视频进行运动估计；计算PSNR
时间安排：
答辩时间2013年1月24日。

指导教师签名：年月日
系主任签名：年月日
摘要 (1)
1运动估计算法概念 (2)
1.1 运功估计算法基本思想 (2)
1.2 运动估计算法实验原理 (2)
2 设计原理和方法 (3)
2.1 三步法 (3)
2.2 新三步法 (3)
2.3 全搜索法 (4)
2.4 峰值信噪比 (5)
3 运动估计算法的MATLAB编程 (6)
3.1全搜索法 (6)
3.2三步法 (9)
3.3全搜索法指标 (11)
3.4三步法指标 (11)
3.4仿真结果分析 (11)
4 小结及体会 (11)
参考文献 (11)
附录 (12)
运动估计的基本思想是尽可能准确地获得序列图像帧间的运动位移，即运动
矢量。

因为运动估计越准确，预测补偿的图像质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需位数越少，需要传输的比特率就越小。

利用得到的运动矢量在帧间进行运动补偿。

补偿残差经过变换、量化、编码后及运动矢量一起经过熵编码，然后以比特流形式发送出去。

在视频编码和处理系统中，运动估计和运动补偿技术对降低视频序列时间冗余度、提高编码效率起着非常关键的作用。

运动估计的准确程度将直接决定视频
编码器的编码效率。

关键词：运动估计、运动补偿技术、位移（运动）矢量
Abstract
The basic idea is that the motion estimation as accurate as possible the image sequence interframe motion displacement, i.e. the motion vector. Motion estimation more accurate prediction compensation, the higher the image quality is compensated residuals is smaller, less compensation coding bits required, the smaller the transmission bit rate. Performing motion compensation using the motion vector obtained in the interframe. Compensation residuals through transformation, quantization, entropy-coded together with the motion vector is encoded, and then sent out in the form of a bit stream.
In video coding and processing system, the motion
estimation and motion compensation to reduce the temporal redundancy of video sequence to improve the coding efficiency plays a crucial role. The degree of accuracy of the motion estimation will directly determine the encoding efficiency of the video encoder. Keywords:Motion estimation Motion compensation techniques The vector of displacement (movement)
多媒体信息处理
1运动估计算法概念
视频原始图像中存在着大量的信息冗余，如时间冗余、空间冗余、信息熵冗余、谱间冗余、几何结构冗余、视觉冗余和知识冗余等等。

运动估计是视频压缩编码中的核心技术之一，采用运动估计和运动补偿技术可以消除视频信号的时间冗余以提高编码效率。

如何提高运动估计的效率，使运动估计算法的搜索过程更健壮、更快速、更高效成为目前研究的热点。

运动估计的基本思想是尽可能准确地获得序列图像帧间的运动位移，即运动矢量。

因为运动估计越准确，预测补偿的图像质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需位数越少，需要传输的比特率就越小。

利用得到的运动矢量在帧间进行运动补偿。

补偿残差经过变换、量化、编码后及运动矢量一起经过熵编码，然后以比特流形式发送出去。

运动估计算法多种多样，大体上可以把它们分成四类：块匹配法、递归估计法、贝叶斯估计法和光流法。

其中块匹配运动估计算法因其具有算法简单、便于VLSI实现等优点得到广泛应用。

所以本文将重点介绍块匹配运动估计算法，并对各种块匹配算法在计算速度和估计精度上进行简单比较。

1.1 运功估计算法基本思想
运动估计的基本思想是尽可能准确地获得序列图像帧间的运动位移，即运动矢量。

运动估计算法的目标是效率和准确性。

由于在成象的场景中一般有多个物体作不同的运动，如果直接按照不同类型的运
动将图像分割成复杂的区域是比较困难的。

最直接和不受约束的方法是在每个像素都指定运动矢量，这就是所谓基于像素表示法。

这种表示法是对任何类型图像都是适用的，但是它需要估计大量的未知量，并且它的解时常在物理上是不正确，除非在估计过程中施加适当的物理约束。

这在具体实现时是不可能的，通常采用基于块的物体运动表示法。

因为运动估计越准确，预测补偿的图像质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需位数越少，需要传输的比特率就越小。

1.2 运动估计算法实验原理
在帧间预测编码中，由于活动图像邻近帧中的景物存在着一定的相关性。

因
此，可将活动图像分成若干块或宏块，并设法搜索出每个块或宏块在邻近帧图像中的位置，并得出两者之间的空间位置的相对偏移量，得到的相对偏移量就是通常所指的运动矢量，得到运动矢量的过程被称为运动估计。

运动矢量和经过运动匹配后得到的预测误差共同发送到解码端，在解码端按照运动矢量指明的位置，从已经解码的邻近参考帧图像中找到相应的块或宏块，和预测误差相加后就得到了块或宏块在当前帧中的位置。

运动估计的准确程度往往用补偿图像及原图像比较的PSNR来衡量表示。

2 设计原理和方法
2.1 三步法
三步法是应用得相当广泛的一种次优的运动估计搜索算法它的搜索区间一般为[-7，7] 即在候选区中及编码块相同坐标位置处为原点，将参考块在其上下左右距离为7的范围内按照一定规律移动移到一个位置就做匹配计算它总共进行了三步搜索在下一次搜索时步长减半以前一步搜索得到的最优点为中心。

下图为三步法的搜索示意图。

算法的中心思想是，采用一种由
粗到细的搜索模式，从原点开始，按
一定步长取周围8个点构成每次搜索
的点群，然后进行匹配计算，利用上
一步搜索得到的最小块误差MBD点
作为当前搜索的中心位置，每做一
步，搜索的步长减1。

步搜索算法搜索窗选取(-7，+7)，
最多只需要做25个位置的匹配计算，
三步法(TSS)搜索示意图
相对于全搜索来比，大大减少了匹配
运算的复杂度，而且数据读取比较规则。

2.2 新三步法
TSS 假定运动矢量分布特点是在搜索窗口中均匀分布, 但事实证明运动矢量是偏置中心的，Renxiang Li等人在TSS的基础上提出了一种增强运动矢量中心偏置搜索和减小补偿误差的新三步法。

NTSS 是对TSS 的一个改进，对运动量比较小的视频序列如可视电话序列有比较好的性能。

对于绝大多数的视频序列，运动矢量的分布都是在中心位置上的概率最大，随着及中心位置的距离
的增大，概率会急剧地下降，这也就
是前面所说的运动矢量的中心偏移
特性。

运动量比较小的视频序列的这
一特性会更加明显。

NTSS算法在最好的情况下只需
要做17个点的匹配，在最坏的情况
下需要做33个点的匹配，由于运动
新三步法(NTSS)搜索示意图
矢量中心偏置在现实视频序列中是
普遍存在的，在通常情况下，NTSS
算法需要做33点匹配的概率比较小，因此，在低速率视频应用中，如视频电话或视频会议中，NTSS算法的优点可以得到较好的发挥。

2.3 全搜索法
全搜索法（Full Search Method, FS）也称为穷尽搜索法，是对
（M ＋2dx ）×（N ＋2dy ）搜索范围内所有可能的候选位置计算MAD (i,j)值，从中找出最小MAD，其对应偏移量即为所求运动矢量。

此算法虽计算量大，但最简单、可靠，找到的必为全局最优点。

FS算法描述如下：从原点出发，按顺时针螺旋方向由近及远，在逐个像素处计算MAD值，直到遍历搜索范围内听有的点，然后在计算的所有点的MAD 中找到最小值，该点所在位置即对应最佳运动矢量。

但是正因为它是穷尽搜索因此会产生巨大的计算量如[ 7, 7]的搜索区间每个宏块16*16 需计算225个MAD值，这就直接制约了编码的实时实现。

快速算法
本质上是一种穷尽搜索法其计算量仍是相当巨大的。

全搜索算法是简单也是效果最好的一种匹配算法，通过的全搜索匹配得到的结果是全局最优的，但由于计算量很大，我们在编解码中往往不采用这种方法，而只把他作为及其他算法的一种比较。

图2-1程序流程图
2.4 峰值信噪比
峰值信噪比（经常缩写为PSNR）是一个表示信号最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率的比值的工程术语。

由于许多信号都有非常宽的动态范围，峰值信噪比常用对数分贝单位来表示。

PSNR是“Peak Signal to Noise Ratio”的缩写。

peak的中文意思是顶点。

而ratio的意思是比率或比列的。

整个意思就是到达噪音比率的顶点信号，psnr是一般是用于最大值信号和背景噪音之间的一个工程项目。

通常在经过影像压缩之后，输出的影像通常都会有某种程度及原始影像不一样。

为了衡量经过处理后的影像品质，我们通常会参考PSNR 值来认定某个处理程序够不够令人满意。

PSNR计算公式如下：
Peak 就是指8 bits 表示法的最大值255。

MSE 指Mean Square Error（均方误差，各值相差的n次方和的平均值的n次平方根(这几个字应该没有)），I(角标n)指原始影像第n个pixel 值，P(角标n)指经处理后的影像第n个pixel 值。

PSNR 的单位为dB。

所以PSNR值越大，就代表失真越少。

PSNR 是最普遍，最广泛使用的评鉴画质的客观量测法，不过许多实验结果都显示，PSNR 的分数无法和人眼看到的视觉品质完全一致，有可能PSNR 较高者看起来反而比PSNR 较低者差。

这是因为人眼的视觉对于误差的敏感度并不是绝对的，其感知结果会受到许多因素的影响而产生变化（例如：人眼对空间频率较低的对比差异敏感度较高，人眼对亮度对比差异的敏感度较色度高，人眼对一个区域的感知结果会受到其周围邻近区域的影响）。

3 运动估计算法的MATLAB编程
3.1全搜索法
图3-1-1 the first frame 图3-1-2 the second frame
图3-1-3 帧间差值图3-1-4 DFD
图3-1-5 恢复后的第二帧图像
图3-1-6 第一帧图像的运动矢量图
图3-1-7 第二帧图像的运动矢量图
3.2三步法
图3-2-1 the first frame 图3-2-2 the second frame
图3-2-3 帧间差值图3-2-4 DFD
图3-2-5 恢复后的第二帧图像
图3-2-6 第一帧图像的运动矢量图
图3-2-7 第二帧图像的运动矢量图。