预测型改进菱形运动估计算法及其硬件架构实现

【摘要】视频压缩编码能够去除视频信息中的冗余信息,解决了视频传输中信道带宽不足的难点,并且加快了视频实时传输的速度。运动估计是视频压缩编码中的重要组成部分,其去除了视频帧间的冗余信息。块匹配算法是以块为基础来进行运动估计,从计算复杂度和编码效率等因素考虑,块匹配算法对不同信号具有较好的鲁棒性,压缩率高,简单且便于硬件实现。菱形搜索算法在众多快速搜索算法中的表现出了较优的综合性能,成为了后续运动估计算法中研究的热点。本文对菱形搜索算法等经典算法进行了研究改进,在确保搜索精度的前提下,降低了算法的运算量,主要贡献如下：1.研究了视频编码的流程和各个模块的作用和原理,着重研究了运动估计模块的工作机制和构造。2.研究了经典块匹配搜索算法。详细介绍了全搜索算法、三步算法、菱形算法的搜索策略和模板,在此基础上分析了各算法的优缺点。此外,在仿真部分对各算法进行了实现与性能分析。3.提出了新型预测菱形运动估计算法。本文对整体性能较优的菱形快速搜索算法进行了综合分析,并针对搜索策略和模板加以改进。新型算法引入了静止判断,运动类型分类,提前终止判断等策略,有效减少了小运动和静止运动的搜索量。此外,针对大运动提出了搜索范围更广的方向性正方形搜索模板和接近于圆形的八边形扩展搜索模板,使得搜索过程中利用更少的搜索点数达到精确的效果。在实验仿真部分对提出的算法和经典运动估计算法进行了比较分析。实验结果表明,新的预测型菱形运动估计算法与菱形算法相比下,能够将计算量降低为菱形算法的60%,并保证搜索正确度不损失太大。4.运动估计算法FPGA架构的设计与仿真。对于提出的运动估计算法设计了FPGA硬件架构,采用合理的并行设计提高其运行速度,并降低了硬件成本和功耗。实验用Modelsim平台进行了硬件功能型验证,并借助ISE9.1平台对提出的硬件架构进行了综合与分析。实验结果表明,该硬件架构能达到183M的时钟频率,其硬件面积和功耗与以往硬件设计相比也处于最少。
【作者】丁菁骅；
【导师】林丽莉；
【作者基本信息】浙江工商大学，通信与信息系统，2013，硕士
【关键词】视频编码；运动估计；菱形搜索算法；FPGA；

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