运动补偿与运动估计(2)

运动矢量的值可以是非整数的，此时的运动补偿被称为亚像素精度的运动补偿。这是通过对参考帧像素值进行亚像素级插值，而后进行运动补偿做到的。最简单的亚像素精度运动补偿使用半像素精度，也有使用1/4像素和1/8像素精度的运动补偿算法。更高的亚像素精度可以提高运动补偿的精确度，但是大量的插值操作大大增加了计算复杂度。

分块运动补偿的一个大缺点在于在块之间引入的非连续性，通常称为块效应。当块效应严重时，解码图像看起来会有像马赛克一样的效果，严重影响视觉质量。另外一个缺点是，当高频分量较大时，会引起振铃效应。关于高频分量，请参见对运动补偿后的残差进行变换的方法: 变换编码。

1.5 运动补偿的原理与步骤

运动补偿的基本原理是，当编码器对图像序列中地第N帧进行处理时，利用运动补偿中地核心技术－运动估值ME（Motion Estimation），得到第N帧得预测帧N´。在实际编码传输时，并不总时传输第N帧，而是第N帧和其预测帧N´得差值△。如果运动估计十分有效，△中得概率基本上分布在零附近，从而导致△比原始图像第N帧得能量小得多，编码传输△所需得比特数也就少得多。

运动补偿的步骤如下：

（1）图像分割为静止得和运动的两部分，估计物体得位移向量（位移值）。

（2）按照估计得到的位移向量取得前一帧的图像数据。

（3）通过使用预测滤波器，得到前一帧图像数据的预测像素。

2、运动估计

2.1 基本思想

运动估计的基本思想是将图像序列的每一帧分成许多互不重叠的宏块，并认为宏块内所有象素的位移量都相同，然后对每个宏块到参考帧某一给定特定搜索范围内根据一定的匹配准则找出与当前块最相似的块，即匹配块，匹配块与当前块的相对位移即为运动矢量。视频压缩的时候，只需保存运动矢量和残差数据就可以完全恢复出当前块。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。

实际应用时，只将运动矢量及最佳匹配块与当前块之间的差值块一起编码传输。在接收端，通过运动矢量在已经恢复的相邻帧中找到当前块的最佳匹配块，并与接收到的差值块相加恢复出当前块，这就是运动补偿基本过程。

2.2 运动估计算法

运动估计算法是视频压缩编码的核心算法之一。高质量的运动估计算法是高效视频编码的前提和基础。其中块匹配法（BMA, Block Match Algorithm）由于算法简单和易于硬件实现，被广泛应用于各视频编码标准中。块匹配法的基本思想是先将图像划分为许多子块，然后对当前帧中的每一块根据一定的匹配准则在相邻帧中找出当前块的匹配块，由此得到两者的相对位移，即当前块的运动矢量。在H.264标准的搜索算法中，图像序列的当前帧被划分成互不重叠16×16大小的子块，而每个子块又可划分成更小的子块，当前子块按一定的块匹配准则在参考帧中对应位置的一定搜索范围内寻找最佳匹配块，由此得到运动矢量和匹配误差。运动估计的估计精度和运算复杂度取决于搜索策略和块匹配准则。这里使用H.264推荐算法UMHexagonS（Unsymmetrical-cross Multi-Hexagon-grid Search）作为DSP实现的算法参考，与FS算法比较，它在保证可靠搜索精度的前提下大幅降低搜索复杂度。同时使用绝对差和（SAD, the Sum of Absolute Difference）标准作为匹配准则，它具有便于硬件实现的优点。

三、参考文献：