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帧速率上变换算法研究

作　者: 徐冲
导　师: 陈颖琪
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 帧速率上变换视频后处理运动估计运动补偿运动分割闭塞区域 3D视频
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 69次
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内容摘要

帧速率上变换作为一种视频后处理技术,通过在原有视频帧中插入中间帧的方式,将低帧率视频变换成高帧率视频。在近些年兴起的高清数字电视和高端多媒体系统中,提高帧率能够获得更好的视觉质量,使得观看者可以观赏更加自然流畅的运动场景;而在移动终端低码率视频应用中,提高帧率可以恢复由于带宽受限而在编码端被跳过的视频帧,有效减少视觉上的停滞感和跳跃感。帧速率上变换算法主要包含两个过程:运动估计和基于运动估计的运动补偿。现有的帧速率上变换算法在运动估计部分大多数都选择块匹配方法,因为该方法运算简单、便于硬件实现。然而块匹配方法总是选择残差最小的运动矢量,因此在图像平坦区域和纹理区域容易得到错误结果。另外,块匹配假设块内所有像素有相同运动,当物体边缘与块边界不重合时,一个块内可能包含具有不同运动的多个物体,从而导致边缘重影。与块匹配对应的运动补偿方法分为单向补偿和双向补偿。单向补偿比双向补偿更加准确,但是会面临重叠和空洞问题,不恰当的内插方法在重叠位置会产生块效应,在空洞位置则会出现插值模糊。针对块匹配运动估计中的问题,本文提出了一种基于运动分割及边缘细化的运动估计方法。该方法首先采用加入运动平滑约束的匹配准则,有效减少平坦区域和纹理区域的错误估计;然后对矢量场进行运动分割,寻找矢量场中包含运动边缘的区域,对边缘区域采用可变尺寸块估计以提高矢量场精度;最后对非边缘区域进行矢量块分解和平滑滤波。实验结果表明,该方法能够提高运动边缘区域矢量场的平滑性,减少传统方法导致的块效应和边缘重影。针对单向运动补偿中的重叠和空洞问题,本文提出了一种基于闭塞区域检测及边缘保持的运动补偿方法。该方法首先分析前向/后向矢量场,根据几何对称性和残差分布,检测闭塞区域的位置;然后利用加权扩展块运动补偿解决重叠问题,同时对闭塞区域作特殊处理;最后引入图像超分辨率算法(Super Resolution)中的边缘方向性插值思想填充空洞区域。实验结果表明,该方法能够较好的解决重叠和空洞问题,消除物体轮廓重影,并能良好地保持边缘。本文最后研究了所提出的算法在2D/3D视频中的应用。上述运动估计与运动补偿方法直接结合即构成本文应用于2D视频的帧速率上变换算法,通过大量对比实验证实了本文算法得到的内插帧比传统算法具有更高的图像质量。之后本文对基于深度图像的3D视频展开研究,利用深度信息约束改进了上述的2D视频算法,提出了一种低复杂度的3D视频帧速率上变换算法。在最终的单视点与多视点合成实验中证实,与不考虑深度信息的传统算法相比,本文算法得到的内插帧具有更好的图像质量。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 研究背景  9-12
  1.2 研究内容及创新点  12-13
  1.3 论文章节安排  13-14
第2章帧速率上变换算法概述  14-23
  2.1 引言  14
  2.2 非运动补偿算法  14-15
  2.3 运动补偿算法  15-21
    2.3.1 帧速率上变换中的运动估计  16-19
    2.3.2 帧速率上变换中的运动补偿  19-21
  2.4 帧速率上变换算法的性能评估  21-22
    2.4.1 主观质量评价标准  21
    2.4.2 客观质量评价标准  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章基于运动分割及边缘细化的运动估计  23-50
  3.1 现有的FRUC 运动估计算法  23-28
  3.2 本文提出的算法框架  28-30
  3.3 多分辨率分层块匹配  30-39
    3.3.1 分层块匹配估计方法  30-34
    3.3.2 自适应滤波区域匹配  34-39
  3.4 基于运动分割的矢量场细化与平滑  39-48
    3.4.1 运动矢量场分割  40-44
    3.4.2 运动边缘细化  44-46
    3.4.3 矢量场平滑与分解  46-48
  3.5 实验结果  48-49
  3.6 本章小结  49-50
第4章基于闭塞区域检测及边缘保持的运动补偿  50-75
  4.1 现有的FRUC 运动补偿算法  50-56
    4.1.1 单向运动轨迹  52-53
    4.1.2 双向运动矢量  53-56
  4.2 本文算法框架  56-57
  4.3 基于闭塞区域检测的自适应扩展块运动补偿  57-67
    4.3.1 闭塞区域检测  58-61
    4.3.2 加权扩展块运动补偿  61-65
    4.3.3 预插帧自适应合并  65-67
  4.4 基于边缘保持的空洞内插算法  67-72
    4.4.1 超分辨率算法中的边缘方向插值  68-70
    4.4.2 边缘保持的空洞内插  70-72
  4.5 实验结果  72-74
  4.6 本章小结  74-75
第5章帧速率上变换在2D/3D 视频系统中的应用  75-99
  5.1 帧速率上变换在2D 视频系统中的应用  75-76
  5.2 2D-FRUC 实验结果  76-82
  5.3 三维视频系统综述  82-85
  5.4 帧速率上变换在3D 视频系统中的应用  85-93
    5.4.1 深度信息约束的运动估计  87-88
    5.4.2 k-means 分割  88-90
    5.4.3 矢量场后处理  90-92
    5.4.4 基于边缘保持的运动补偿  92-93
  5.5 3D-FRUC 实验结果  93-99
第6章总结与展望  99-101
  6.1 本文工作总结  99-100
  6.2 后续工作展望  100-101
参考文献  101-106
英文缩略语对照表  106-107
致谢  107-108
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  108-109
攻读硕士学位期间参与的科研项目  109-110
附件  110-112

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