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应用于视频编码的块匹配运动估计算法设计与实现
摘  要
在多媒体信息中，视频信息是一种比较特殊的媒体，数据量大，信息丰富。而视频数据的表达、组织、存储和传输都有很大难度。帧间预测编码可以用来消除视频序列中大量的时间和空间冗余，由此压缩视频序列。在通常的视频编码中，人们对当前帧和参考帧的差值进行编码和传输。如果运动补偿预测做得越好，那么误差就越小，所需传输的数据量也越小。由此人们最迫切的需求就是比较合理高效的压缩算法。基于块的运动估计算法正是这些高效压缩算法中的一部分。本文首先介绍了视频压缩领域的研究状况，以及视频压缩的一些基础知识；然后列举了五种被广泛应用的基于块的运动估计算法；最后用C语言实现了其中三种算法。
关键词：视频压缩编码、运动补偿、运动估计、块匹配搜索算法、TSS、NTSS、FSS
Block Matching Motion Estimation in Video Coding: Algorithms and Implementation
ABSTRACT
Video is a special medium of multimedia which contains a mass of data and plenty of information. But how to express, organize, store and transfer the video data is very difficult. Interframe predictive coding can be used to eliminate the large amount of temporal and spatial redundancy that exists in video sequences and helps in compressing them. In conventional predictive coding the difference between the current frame and the predicted frame (based on the previous frame) is coded and transmitted. The better the prediction, the smaller the error and the less the transmission bit rate. Therefore, the efficient and reasonable compression algorithms are exigent. Search algorithms for block matching in motion estimation are  important of them. In this paper, the research status of video compression and some basic knowledge are depicted first; second, the author specialize five widely applied search algorithms for block matching; finally, the C programs of three search algorithms are implemented.
KEYWORDS: video compression coding, motion compensation, motion estimation, block-matching search algorithm, TSS, NTSS, FSS
目  录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 选题意义 2
1.3 全文的构成 2
第二章 视频压缩基础 3
2.1 视频的概念 3
2.2 数字图像基础 3
2.3 视频压缩编码的基本概念[5]   4
2.4 视频格式YUV与GRB[6] 5
2.5 块匹配运动估计 6
2.6 块与块的匹配准则 7
2.6.1 均方误差函数(MSE) 7
2.6.2 绝对差值之和（SAD） 7
2.7 运动补偿 8
第三章 块匹配运动估计算法原理与程序设计 9
3.1 几种块匹配算法 9
3.1.1全搜索法(FS) 9
3.1.2 三步搜索法(TSS) 10
3.1.3 “中心偏置”特性[18] 10
3.1.4 新三步搜索法(NTSS) 12
3.1.5 四步搜索法（FSS） 13
3.1.6菱形搜索法（DS） 14
3.2 程序设计的准备 16
3.3程序的基本构成 16
3.3.1结构MotionEstContext 16
3.3.2 类CdemoPDlg 17
3.3.3 OnPlay()函数 18
3.3.4 Tss()函数 20
3.3.5 Ntss()函数 21
3.3.6 Fss()函数 22
第四章 实验结果与分析 24
4.1 演示系统 24
4.2 实验结果 26
4.3 算法分析 27
4.4 实验总结 28
第五章 总结和展望 29
致谢 30
参考文献 31
附录（核心代码） 33
应用于视频编码的块匹配运动估计算法设计与实现
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着编码理论和多媒体网络应用的发展，近年来诸如JPEG2000、MPEG-2、MPEG-4这样新的媒体格式逐渐为大家所熟悉。许多基于数字视频、音频编码技术的应用（如视频会议、宽带网络的视频服务、可视电话等）也将在未来的几年内得到迅速的发展。
在多媒体信息中，视频信息是一种比较特殊的媒体，数据量极大，信息丰富，并以与时间密切相关的流的形式存在。而且，视频数据的表达、组织、存储和传输都有很大难度。解决的基础在于对视频数据进行压缩。最基本的是要有比较合理高效的压缩算法。早在二十世纪八十年代，在世界上就成立了多媒体领域的标准组织MPEG。
1988年，MPEG(Moving Picture Experts Group)动态图像专家组成立。它是策划确定视频和音频相关数字化信息规格的团体。至今，MPEG委员会已完成对MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和MPEG-7的标准化程序。MPEG-1标准全称为“动态图像和伴音的编码”。它于1993年公布，适合于速度1.5Mbit/s以下的数字媒体，还适用于远程通信以及局域网等。MPEG-2标准全称为“运动图像及其伴音的编码”,于1994年公布，传输速率为10Mbit/s，主要针对高清晰度数字电视所需要的视频以及伴音信号。MPEG-4标准于1999年发布，改标准侧重于对多媒体信息内容的访问。MPEG-7标准于2000年发布，它确定了各种类型的多媒体信息标准的描述方法。
MPEG编解码技术是世界上应用最广泛的标准之一。而MPEG视频压缩技术是针对运动图像的数据压缩计算。为了提高压缩比，帧内图像数据压缩和帧间图像数据压缩技术必须同时使用。数据的压缩充分利用了时间和空间上冗余信息。
1.2 选题意义