运动估计算法MATLAB课程设计

《通信工程应用技术综合训练与实习》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:FullSearch）和三步法(TSS:ThreeStepSearch)，比较二种方法的搜索点和每帧的峰值信噪比（PSNR：peaksignaltonoiseratio）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《通信工程应用技术综合训练与实习》课程设计目录摘要..............................................................................................................................................11运动估计算法概念.....................................................................................................................21.1运功估计算法基本思想..................................................................................................21.2运动估计算法实验原理..................................................................................................22设计原理和方法.........................................................................................................................32.1三步法..............................................................................................................................32.2新三步法..........................................................................................................................32.3全搜索法..........................................................................................................................42.4峰值信噪比......................................................................................................................53运动估计算法的MATLAB编程..............................................................................................63.1全搜索法...........................................................................................................................63.2三步法...............................................................................................................................93.3全搜索法指标.................................................................................................................113.4三步法指标.....................................................................................................................113.4仿真结果分析.................................................................................................................114小结与体会...............................................................................................................................11参考文献.......................................................................................................................................11附录...............................................................................................................................................12《通信工程应用技术综合训练与实习》课程设计1摘要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、编码后与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AbstractThebasicideaisthatthemotionestimationasaccurateaspossibletheimagesequenceinterframemotiondisplacement,i.e.themotionvector.Motionestimationmoreaccuratepredictioncompensation,thehighertheimagequalityiscompensatedresidualsissmaller,lesscompensationcodingbitsrequired,thesmallerthetransmissionbitrate.Performingmotioncompensationusingthemotionvectorobtainedintheinterframe.Compensationresidualsthroughtransformation,quantization,entropy-codedtogetherwiththemotionvectorisencoded,andthensentoutintheformofabitstream.Invideocodingandprocessingsystem,themotionestimationandmotioncompensationtoreducethetemporalredundancyofvideosequencetoimprovethecodingefficiencyplaysacrucialrole.Thedegreeofaccuracyofthemotionestimationwilldirectlydeterminetheencodingefficiencyofthevideoencoder.Keywords:MotionestimationMotioncompensationtechniquesThevectorofdisplacement(movement)《通信工程应用技术综合训练与实习》课程设计2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、编码后与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《通信工程应用技术综合训练与实习》课程设计3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与原图像比较的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]即在候选区中与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