基于运动估计和运动补偿的帧率上转换算法研究

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1、基于运动估计和运动补偿的帧率上转换算法研究第1章绪论1.1课题的背景和意义近些年各种高科技层出不穷，已经遍及生活的各个角落[1]，如网络电视、视频会议等，这依赖于快速发展的网络技术和多媒体的结合，而视频图像处理已成为了热门研究话题，主要有视频编解码的研究、视频通讯等。市场上不同的播放设备支持各自特定的播放帧率、播放格式，而随着视频格式的多样化，为了能使不同的视频源能在不同的播放设备上正常显示，需要视频后处理模块[2]，它的主要作用是改进图像质量，使人们获得较好的视觉体验，主要借助的是数字信号处理方法[3,

2、4]，通过不同的视频算法来实现。视频图像的度量单位是每秒显示的帧数(FrameperSecond)，单位为赫兹（HZ），如果视频的播放帧率大于16HZ，人眼就会看到连续的动画，帧率越高，画面越流畅，人的视觉体验越好，这也促成了目前市场上高清数字电视的快速发展。视频图像的帧率上转换技术[6,7]（FrameRateUp-Conversion,FRUC）主要指视频图像的运动估计和运动补偿，它是一种视频后处理技术，通过借助原视频的运动物体估计出运动矢量，进而通过内插完成帧率由低到高的转换。帧率上转换技术开始兴起

3、在20世纪80年代[8]，后来发展越来越成熟。目前市场上的电影源通常是24帧/秒，但是按照规定，NTSC(美国国家电视标准委员会)的制式是30帧/秒，那么视频源在高清电视上播放时至少需要60帧/秒，PAL（中国、欧洲等国家地区采用）制式是25帧/秒，那么视频源在高清电视上播放时至少需要50帧/秒，因此为了使各种视频源能流畅的在各种制式及播放设备上播放，同时为了获得良好的主观视觉质量，必须对视频源进行帧率上转换。这项技术也应用在视频通讯中，为了降低视频传输过程中的传输带宽，必须降低传输帧率（一般降至每秒10

4、或15帧），那么在视频的接收端就需要对帧率进行恢复，这样做也减少了视觉上的停滞和跳跃现象。此外，目前市场上存在的平板电视有一些自带的缺点，包括：图像抖动、运动模糊、运动拖尾等，并且等离子显示屏（PDP）显示时存在大面积的闪烁问题，这些不自然的线性都影响了人们观看视频时的主观感受，当采用帧率转换算法后，这些问题都得到了很好的提升与改善。..........1.2研究现状帧率上转换算法的发展经历了三大阶段，首先是非运动补偿阶段的帧重复和帧平均算法，再是结合非线性的自适应滤波算法，最后是目前流行的基于运动估计和

5、运动补偿的运动补偿算法。在20世纪80年代，帧率上转换算法刚兴起时，提高帧率的普遍方法是采用简单的帧重复和帧平均算法[8]，这两种算法计算简单，有较低的空间复杂度和时间复杂度，很容易集成到芯片中。不过，它们的致命缺点是当处理运动的物体时容易出现严重的模糊、混叠现象。随着帧率上转换技术的发展，到20世纪90年代初的时候涌现了很多结合非线性的自适应滤波技术，应用最广泛的是考虑边界情况的自适应技术[9]，称为自适应滤波技术，这类技术在含边界物体较多的情况下取得很好的效果。考虑运动物体时，有运动自适应技术，它根据

6、物体的运动信息自适应的选择对应的选择滤波技术，还有一类是中值滤波算法，即在帧率上转换技术中加入滤波的概念[10]。由这三种算法进行各种各样的组合可以产生各种不同的自适应滤波器，与简单的帧重复和帧平均算法相比，这种算法最大的有点在于没有增加硬件开销同时显著的改善了图像的客观和主观性能。但是与帧重复和帧平均算法相同，它也不对整帧图像加以区分，因此也不能得到满意的效果。从20世纪90年代中后期开始，帧率上转换技术进入了快速高效的发展期，人们开始探寻用更符合运动物体信息的算法，进而诞生了运动补偿技术，顾名思义，它

7、考虑了物体的运动信息，首先对物体进行运动估计算法，获得尽可能接近真实运动轨迹的矢量场，由于它以块或者像素为单位，故会包含物体的各个部分，得到的矢量是较精确的，然后进行运动补偿部分，即根据原始数据帧和得到的运动矢量通过插值的方式获得内插帧，仿真结果表明该类算法的效果很好，得到的视频图像从主观和客观上都好于非运动补偿类的算法。下面研究的都是运动补偿类帧率上转换算法，它主要包括运动估计[11,12]和运动补偿[13]两部分。首先研究运动估计部分，通过查阅往年资料得出：基于像素的运动估计算法计算过于复杂，应用不广

8、泛，因此不予考虑，还有一类算法是基于块匹配的，也是目前较流行的，其典型代表有全搜索法、三步搜索法、菱形搜索法等[14]，研究表明它们的运动矢量不能代表物体真实的运动，容易陷入最优点，因此GerarddeHaan提出了三维递归搜索块匹配运动估计算法（3-Drecursivesearchblock-matching）[15]，简称3DRS算法，该算法计算复杂度低且能求出较平滑的、准确的矢量场，是目前主流的运动估计算法。帧率上转换的