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摘要

H.264是由国际标准化组织/国际电工技术委员会（ISO/IEC）的运动图像专家组

(MPEG)与国际电信联盟(ITU-T)的视频编码专家组(VCEG)共同制定的新一代视频压

缩编码标准。该编码标准具有高画质、高压缩比、低码率等特点，具有很广泛的应

用。然而，其高效的压缩效果是以增加编码算法复杂度为代价的, 其中，运动估计决

定了编码的效率，因此研究基于H.264的运动估计算法具有十分重要的意义。

本论文首先简要介绍了视频压缩编码相关技术和发展历程以及其中运动估计技

术的国内外发展现状，并着重分析和讨论了H.264标准中引入的先进技术，如4×4整

数变换、空域内的帧内预测、1/4像素精度的运动估计、多参考帧与多种大小块的帧

间预测技术等。

随后,论文介绍了几种已有的经典块匹配运动估计算法，并分析了它们的优缺点；

通过对当前大量运动估计技术和视频序列特点的分析，综合利用了基于时间和空间

相关性的初始搜索点预测技术，自适应阀值静止块判定技术和根据宏块运动类型自

适应选择搜索策略技术，提出了一种基于方向自适应的运动估计混合模板搜索算法。

该算法与仅利用空间相关性预测起点的运动估计算法相比，充分利用时间和空间相

关性，提高了预测起点的准确性；通过自适应阀值静止块判定技术，解决了常量阀

值静止块判定技术仅适应某种特定序列类型的缺点；通过自适应选择搜索策略技术，

解决了单一搜索策略模式下，不能兼顾视频压缩图像质量和速度的局限。

仿真实验结果表明，本论文算法与H.264标准提供的UMHexagonS算法相比，在

保证编码质量的前提下，大大降低了运动估计时间，提高了编码效率。

关键词：H.264 视频压缩运动估计自适应块匹配

Abstract

H.264 is the latest Video Coding Standard, which is proposed by the ISO/IEC Moving

Picture Experts Group and the ITU-T Video Coding Experts Group. This Video Coding

Standard achieves high quality, high compression and low bit rate, it has a broad

application. However, its highly efficient compression is at the cost of increased

computational complexity, among which motion estimation occupies the most of time in

the process. So it is of great important to study the motion estimation algorithm based on

H.264.

Firstly, the development of motion estimation technology and some video coding

standards have been briefly described, and the advanced technologies in H.264 video

coding standard have been focused on, such as 4×4 integer transform、prediction of intra

frame 、 1/4 sub-pixel precision motion estimation 、 multi reference frames and

variable-block prediction of inter frame.

Then, we have introduced several popular block matching motion estimation

algorithms and analyzed their advantages and disadvantages. Through the analysis of

current motion estimation technologies and characteristics of the video sequence, we have

proposed a direction-based adaptive mix-pattern motion estimation search

algorithm(DBMPA) . This algorithm synthesized several skills, such as the prediction of

the initial search center based on spatial and temporal correlation, the adaptive estimation

of the threshold value for static block identification and the adaptive determination of

search strategy according to macro block type. This algorithm make the best of spatial and

temporal correlation, which improves the veracity of the search center prediction

compared with the algorithms employing spatial correlation only; Through adaptive

threshold static block determination technology the disadvantage of const threshold static

block determination technology only suit for special video sequence has been solved. Also

through adaptive search strategy technology, solved the limitation of can’t balance the

video quality and speed which use fixed strategy.

Experimental results show that the proposed algorithm can highly reduce the time of

motion estimation ensuring the video quality compared with the UMHexagonS algorithm.

Keywords: H.264 video compression motion estimation adaptation block matching

III

摘要 ............................................................................................................... I

Abstract .......................................................................................................... II

1 绪论

1.1 引言 ......................................................................................................... (1)

1.2 视频图像压缩编码的意义 .................................................................... (1)

1.3 运动估计技术国内外发展现状 ............................................................ (4)

1.4 论文研究的主要内容 ............................................................................. (5)

2 视频图像压缩编码的基本概念与标准

2.1 视频图像压缩编码的基本技术与概念 ................................................ (7)

2.1 MPEG 系列标准 ................................................................................... (10)

2.2 H.26X 系列标准 .................................................................................... (12)

2.3 AVS ........................................................................................................ (18)

2.4 本章小结 ............................................................................................... (18)

3 典型块匹配运动估计算法分析

3.1 运动估计基本原理 .............................................................................. (19)

3.2 块匹配准则........................................................................................... (20)

3.3 典型运动估计搜索算法 ...................................................................... (21)

3.4 本章小结 ............................................................................................... (28)

4 基于 H.264 自适应运动估计算法

4.1 运动矢量的分布特性 .......................................................................... (29)

4.2 起始搜索点预测 .................................................................................. (30)

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