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基于超高清视频编码的同步分层运动估计架构的设计

作　者: 包雪娜
导　师: 刘佩林
学　校: 上海交通大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 超高清分层运动估计无损参考帧压缩提前层次终止视频编码
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文提出了一种基于超高清(Beyond High Definition)视频编码器的带有分层无损参考帧压缩方法以及提前层次终止策略的同步分层运动估计(Motion Estination)架构。作为编码器的重要模块,运动估计是一个计算复杂度很高的过程,它占用了编码器大量的系统资源,包括带宽,芯片面积,运算时间以及系统功耗等。对于搜索范围需要至少128像素的超高清视频,传统的运动搜索和估计方法将消耗大量的资源,从而成为视频编码器设计的瓶颈。在本文中,本人提出了一种带有分层无损参考帧压缩以及提前层次终止策略的具有较高硬件实现效率的同步分层运动估计算法,该算法能够保证大范围的区域搜索并适用于超高清视频编码器。首先,为了保证分层运动估计的质量,本文提出了一种分层运动估计架构,进行分层多分辨率的运动搜索并在之后进行有效的局部细化搜索。该算法即使是在大幅剧烈运动的情况下仍然能够取得相比于以往所提出的快速算法的更高的运动估计质量,并具有较低的带宽以及内存消耗。同时,在该运动估计算法的基础上,为了进一步地减少带宽消耗,本文还提出了一种分层无损参考帧压缩的架构。该架构应用了分层的记忆存储结构以及分层两步式数据提取的策略,以满足分层运动搜索架构随机存储的需要;同时还应用了分层的数据压缩策略,通过参考高层的平均值数据来计算当前数据的残差值并通过有效的可变长编码方式来对这些残差值进行编码处理,从而有效地减少同步分层运动估计架构的带宽消耗。另外,本文还采用了适用于分层运动搜索的提前层次终止策略。该策略基于图像块模式以及运动估计层数来设定适当的阈值,从而提前终止不必要的高层搜索;同时,该策略还运用了提前细化终止策略从而避免了对于高层搜索的冗余的细化操作。在实验过程中,本文基于JM15.1实现了所提出的架构,并对其性能进行了仿真实验;同时,本文还对以前提出的有代表性的运动估计架构进行了实现和仿真,并与本文所提出的架构进行比较。根据实验结果,相比于以往的运动估计快速算法,本文提出的整个架构即使是对于具有剧烈运动特性的视频序列也能够保证与全搜索运动估计算法相差不大的视频编码比特率;同时,本方法还能够在保证[-128, 127]搜索范围的条件下实现可观的带宽以及内存的减省。因此,本文所提出的整个运动估计架构无论是在硬件设计性能(DRAM带宽消耗以及内存),还是在运动估计质量上,都具有高效的性能和品质,所以它非常适用于集成在超高清视频编码器中并得以应用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-22
  1.1 视频编码系统  11-12
  1.2 运动估计模块  12-14
  1.3 超高清视频编码器的运动估计模块的设计问题  14-16
    1.3.1 DRAM 带宽问题  14-15
    1.3.2 其他设计问题  15-16
  1.4 前任工作的总结  16-17
    1.4.1 高清视频的视频编码相关策略  16
    1.4.2 超高清视频的相关运动估计算法  16-17
    1.4.3 带宽减省的相关策略  17
  1.5 本文的研究内容以及创新点  17-19
  1.6 论文布局  19-20
  1.7 本章小结  20-22
第二章同步式分层运动估计架构  22-32
  2.1 CBME 和PMRME 运动估计架构  22-24
  2.2 同步式分层运动估计算法的基本思想  24-25
  2.3 同步式分层运动估计算法的三个层次  25-27
  2.4 同步式分层运动估计算法的硬件实现架构  27-30
  2.5 本章小结  30-32
第三章分层的无损参考帧压缩方法  32-47
  3.1 带宽减省策略以及参考帧压缩方法  32-33
  3.2 基于可变压缩率的无损参考帧压缩方法  33-38
  3.3 适用于同步分层运动估计架构的参考帧压缩方法  38
  3.4 分层的记忆存储结构  38-39
  3.5 分层两步式数据提取的策略  39-40
  3.6 残差的计算以及可变长编码方法  40-42
  3.7 分层参考帧压缩架构的数据流  42-45
  3.8 本章小结  45-47
第四章基于分层运动估计的提前层次终止方法  47-55
  4.1 提前层次终止方法  47-50
  4.2 阈值的选择和设定  50-52
  4.3 提前细化终止  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章仿真实验结果  55-71
  5.1 实验条件  55-56
  5.2 缓存器的结构  56-58
  5.3 分层的无损参考帧压缩方法的性能  58-59
  5.4 提前层次终止方法的性能  59-61
  5.5 整个运动估计架构的性能  61-64
  5.6 在不同QP 编码条件下的整个运动估计架构的性能  64-66
  5.7 主观编码结果的比较  66
  5.8 整个运行时间的比较  66-69
  5.9 本章小结  69-71
第六章全文总结  71-81
  6.1 本研究的意义  71-72
  6.2 本研究的创新点  72-77
  6.3 系统总结和研究结论  77-80
  6.4 研究展望  80-81
参考文献  81-85
附录一符号与计算方法  85-92
  运动矢量的匹配值的计算  85
  仿真实验中DRAM 带宽的计算  85-86
  编码器DRAM 带宽功耗的计算公式  86
  基于PMRME 的无损参考帧压缩方法  86-92
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  92-93
攻读硕士学位期间参与的科研项目  93-94
致谢  94-95

基于超高清视频编码的同步分层运动估计架构的设计

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