武汉理工大学《通信工程应用技术综合训练与实习》报告
课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 苏杭 工作单位： 信息工程学院 题 目: 多媒体信息处理 初始条件：MATLAB软件平台；视频运动估计相关知识 要求完成的主要任务:
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）
要求：编制算法代码；对视频进行运动估计；计算PSNR
时间安排：
指导教师签名： 2015年 1 月 18 日
系主任（或责任教师）签名： 2015 年 1 月 18 日
号 1 2 3 根据设计任务，分析算法原理，确定实现方案 根据实验条件进行算法的测试，并对结果进行分析 撰写课程设计报告 合 计 序设 计 内 容 间 2天 7天 4天 2周 所用时
武汉理工大学《通信工程应用技术综合训练与实习》报告
摘要
随着计算机视觉、数字视频信号处理和通信技术的发展，多媒体技术得到了广泛的应用。其中，数字视频信号处理是关键技术。为了克服视频信号数据量大的问题，必须提高视频信号的压缩编码效率。运动估计是视频压缩编码中的核心技术之一。为了使多媒体产品能得到更加广泛的应用，国际上提出了一些视频压缩标准。但这些标准并没有规定具体采用哪种运动估计算法。因此，具有高压缩性的快速运动估计算法的开发成为近年来和今后的研究热点。
本文通过MATLAB仿真平台，实现了经典的全搜索算法（FS）和二维三步搜索算法(TSS)，并对更加高效的ETSS算法进行编程仿真，性能比较也显示ETSS比TSS、FS更加具有实时性。
关键词：运动估计；视频压缩；全搜索算法 ；三步搜索算法
I
武汉理工大学《通信工程应用技术综合训练与实习》报告
Abstract
With the development of computer vision, digital video signal processing and communication technology, multimedia technology has been widely used. Among them, the digital video signal processing is the key technology. In order to overcome the problem of large amount of video data signal, video signal compression coding efficiency must be raised. Motion estimation is one of the core technology of video compression coding. In order to make the multimedia products can be used more widely, people put forward some international video compression standard. But these standards are not provided specific use what kind of motion estimation algorithms. Therefore, the development of the fast motion estimation algorithm with high compressibility is becoming a hot spot in recent years and the future research.
In this article, through the MATLAB simulation platform, has realized the full search algorithm (FS) and the classic 2d three-step search algorithm (TSS),and simulated the more efficient algorithm--ETSS, performance comparisons also show ETSS is more real-time than TSS and FS .
Keywords: motion estimation，video compression，FS, TSS
II
武汉理工大学《通信工程应用技术综合训练与实习》报告
目 录
摘要................................................................................................................................................ 1 ABSTRACT ....................................................................................................................................... II 1视频运动估计概述 ..................................................................................................................... 1
1.1运动估计技术的地位与作用 ........................................................................................ 1 1.2运动估计技术的发展趋势 ............................................................................................ 1 1.3视频压缩系统的组成 .................................................................................................... 1 2 运动估计原理 ............................................................................................................................ 3
2.1 基于块的运动估计 ....................................................................................................... 3 2.2 基于光流方程的运动估计............................................................................................ 4 2.3 基于像素的运动估计 ................................................................................................... 4 2.4 全局运动估计 ............................................................................................................... 4 2.5 基于区域的运动估计 ................................................................................................... 5 2.6 多分辨率的运动估计 ................................................................................................... 6 3 全搜索算法和三步搜索算法 .................................................................................................... 7
3.1 全搜索算法 ................................................................................................................... 7 3.2 三步搜索算法 ............................................................................................................... 7 4 运动估计算法的设计 ................................................................................................................ 9
4.1 全搜索算法设计 ........................................................................................................... 9 4.2 三步搜索算法设计 ....................................................................................................... 9 5仿真结果 ................................................................................................................................... 11
5.1 全搜索法结果 ............................................................................................................. 11 5.2 三步法结果 ................................................................................................................. 12 5.3 性能比较 ..................................................................................................................... 14 5.3.1计算复杂度 .......................................................................................................... 14 5.3.2 峰值信噪比 ......................................................................................................... 15
6 结论.......................................................................................................................................... 17 7 参考文献 .................................................................................................................................. 18 附录.............................................................................................................................................. 19
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1视频运动估计概述
1.1运动估计技术的地位与作用
视频信号通常每秒包括十几帧以上的静态图像。视频信号的处理通常需要存储、传输并操作大量数据。如果不采用数据压缩，视频信号频带宽度达6MHZ，甚至更宽的频带。为在只有64Kbps的公众服务电话网上传输这个视频图像序列，需要用压缩比倍数大于100的方法来压缩此视频信号。即使对于现在带宽较高的网络来说，视频压缩后能使该网络提供更多的服务，也可以使网络为更多的用户服务。
为使多媒体产品能更广泛地应用，视频压缩就显得尤为重要。为满足在多媒体通信中视频压缩的需要，人们提出了一些视频压缩方面的国际标准。视频数据压缩主要通过三种技术手段来实现:利用离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）来消除视频帧内的空间冗余，利用熵编码来消除编码冗余，利用运动估计来消除帧间的时间冗余。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。
1.2运动估计技术的发展趋势
在人们提出的各种视频压缩标准中，运动估计都是其中重要的一部分。然而，压缩标准的提出并没有规定采用具体的哪种运动估计算法。所以这部分的工作就留给了标准的具体开发者。因此，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、更高效成为近些年研究的热点。
1.3视频压缩系统的组成
图1.1给出了一个典型的视频编码器的结构
。现今视频压缩标准MPEG-1，
MPEG-2，MPEG-3，MPEG-4，H.261，H.262，H.263++和H.264采用了这个结构。在压缩重建后的视频序列的失真度小于我们规定值的前提下，此编码器的目
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