摘 要： 為了提高運(yùn)動(dòng)估計(jì)的搜索效率，提出了一種基于JM模型的UMHexagonS算法的改進(jìn)方案。該方案減少了搜索點(diǎn)數(shù)，從而減小了運(yùn)算量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，改進(jìn)后的UMHexagonS算法在保證編碼圖像的質(zhì)量基本不變的同時(shí)，能顯著減少搜索時(shí)間。
關(guān)鍵詞： UMHexagonS算法；運(yùn)動(dòng)估計(jì)；運(yùn)動(dòng)矢量
運(yùn)動(dòng)估計(jì)中的塊匹配算法因運(yùn)算簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)而成為目前運(yùn)動(dòng)估計(jì)的主流。其中的全搜索算法（FS），因其窮盡搜索每個(gè)像素點(diǎn)，搜索精度最高，但計(jì)算太復(fù)雜，不能滿足實(shí)時(shí)性要求；而三步法（TSS）、四步法（FSS）以及交叉搜索法（CSS）等，相對(duì)FS，減少了搜索點(diǎn)數(shù)，滿足實(shí)時(shí)性要求，但不利于小的運(yùn)動(dòng)塊的搜索；新三步法（NTSS）、六邊形法（HEX）、鉆石法（DS）、新四步法（NFSS）等，雖然提高了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的速度，解決了早期算法不利于小運(yùn)動(dòng)塊搜索的問(wèn)題，但易陷入局部最優(yōu)點(diǎn)，且不能很好地處理圖像的運(yùn)動(dòng)類型[1]。針對(duì)這些問(wèn)題，CHEN Z B等[2]人提出了UMHexagonS算法，它是一種混合型搜索算法，綜合了非對(duì)稱十字形法、六邊形法、菱形法等，相對(duì)FS，其均峰值信噪比（PSNR）保持基本不變，而運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間減少了近90%，是目前運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索效率最高的快速搜索算法，己被JVT正式采納。
1 UMHexagonS算法簡(jiǎn)介
UMHexagonS算法的搜索路徑如圖1[3]所示，它主要分4步進(jìn)行搜索：
?。?）初始搜索點(diǎn)預(yù)測(cè)。包括中值預(yù)測(cè)、上層預(yù)測(cè)、前幀預(yù)測(cè)以及鄰近參考幀預(yù)測(cè)，得到最佳的初始搜索點(diǎn)。
（2）以步驟（1）得到的最佳初始搜索點(diǎn)為中心，進(jìn)行非對(duì)稱的十字形搜索，取絕對(duì)差值和（SAD值）最小的點(diǎn)為當(dāng)前最佳匹配點(diǎn)。其中水平方向的搜索范圍為窗口寬度，垂直方向的搜索范圍為窗口寬度的一半，如圖1的step2所示。
（3）以步驟（2）得到的最佳匹配點(diǎn)為搜索中心，進(jìn)行5×5共25點(diǎn)的正方形螺旋搜索，如圖1的step3-1所示。接著進(jìn)行多層六邊形格點(diǎn)搜索，取最小SAD值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為最佳匹配點(diǎn)，如圖1的step3-2所示。
?。?）該步驟分兩步進(jìn)行：①以步驟（3）獲得的最佳匹配點(diǎn)為搜索中心，進(jìn)行擴(kuò)展的六邊形搜索。若當(dāng)前最小SAD值點(diǎn)位于六邊形的中心，則轉(zhuǎn)到b；否則返回a繼續(xù)進(jìn)行六邊形搜索，直到最小SAD值點(diǎn)位于六邊形的中心，如圖1的step4-1所示。②以步驟（3）的中心點(diǎn)為搜索中心，進(jìn)行小菱形搜索，直到最小SAD值點(diǎn)位于小菱形的中心時(shí)，停止搜索，如圖1的step4-2所示。
雖然UMHexagonS算法具有很高的編碼效率，但仍存在兩種不足：
（1）參考文獻(xiàn)[4]中指出，在如圖2所示的H.264的7種幀間預(yù)測(cè)模式中，有30.71%~98.03%的預(yù)測(cè)塊的運(yùn)動(dòng)矢量全為0。若能在UMHexagonS算法進(jìn)行搜索之前就判決出這些零運(yùn)動(dòng)矢量，就可以提前退出搜索，減少搜索時(shí)間。
?。?）候選搜索塊的運(yùn)動(dòng)劇烈程度不同，其運(yùn)動(dòng)矢量的分布也不同。UMHexagonS算法對(duì)所有的候選搜索塊都是進(jìn)行4層16點(diǎn)的六邊形搜索，沒(méi)有考慮到候選搜索塊的運(yùn)動(dòng)劇烈程度的不同，因此搜索存在冗余。
2 基于UMHexagonS算法的改進(jìn)
（1）針對(duì)UMHexagonS算法的第一種不足，提出了零運(yùn)動(dòng)矢量提前判決的方法。
在進(jìn)行初始搜索點(diǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，最先進(jìn)行中值預(yù)測(cè)，且所有的模板都可以使用中值預(yù)測(cè)，因此，可以判斷中值預(yù)測(cè)得到的最佳匹配點(diǎn)mv（best_x，best_y）的SAD值是否小于給定的閾值，若小于，則判決出該塊的運(yùn)動(dòng)矢量為0。
定義SAD值為：
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本文采用JM10.1模型進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈的coastguard序列、運(yùn)動(dòng)中等的foreman序列、運(yùn)動(dòng)平緩的news序列以及運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜、細(xì)節(jié)較多、水平方向運(yùn)動(dòng)特征明顯的Football序列進(jìn)行了測(cè)試，這些序列都采用QCIF格式。編碼100幀，IPPPP……編碼模式，采用Hardmard變換，CABAC熵編碼，QP取28，選取5幀參考幀。比較運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間Me-time和峰值信噪比PSNR值。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
表1中，△Me-time表示改進(jìn)的UMHexagonS算法的運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間減去原UMHexagonS算法的運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間得到的差值與原UMHexagonS算法的運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間的百分比；△PSNR表示改進(jìn)后與改進(jìn)前的UMHexagonS算法的PSNR值的差值；△bit-rate/（kb/s）表示表示改進(jìn)后與改進(jìn)前的UMHexagonS算法的比特率的差值，正號(hào)表示增加，負(fù)號(hào)表示減少。由表1可知，改進(jìn)后的算法與原算法相比，PSNR值基本保持不變，比特率有所增加，但是在誤差允許的范圍之內(nèi)（±0.2 kb/s）；運(yùn)動(dòng)估計(jì)所消耗的時(shí)間減少了10%~25%。達(dá)到了一定的改進(jìn)效果。
本文通過(guò)分析UMHexagonS算法的一些不足，提出了零運(yùn)動(dòng)矢量提前判零、自適應(yīng)選擇水平方向和垂直方向搜索范圍的相應(yīng)的改進(jìn)措施以及自適應(yīng)的選擇搜索模板。這樣的改進(jìn)在保證圖像編碼質(zhì)量基本不變的情況下，減少了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的搜索時(shí)間，從而提高了編碼效率。
參考文獻(xiàn)
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