快速搜索运动估计算法的性能优化研究与实现

发布时间：2020-05-28 08:18

【摘要】：近年来,随着互联网信息技术的迅速发展,人们对于视频信息的需求急速增长,因而对视频质量的要求也越来越高,提高视频质量变得尤为重要。然而,没有经过压缩的视频数据量巨大,难以进行存储和传输。视频压缩是用于消除冗余数据、减少视频存储和传输开销的一项关键视频应用。提高视频压缩的质量和效率,已经成为科研人员和业界关注的热点问题。在视频压缩时可采用帧间预测来去除帧序列中的时间冗余,而运动估计是用于帧间预测的一项核心技术。但是,运动估计算法非常耗时,大约花费70%的编码时间,并且对于高清晰度视频,该比率甚至更高。因此,降低运动估计的时间成本成为整个视频压缩过程得到加速的关键。运动估计算法分为全搜索算法和快速搜索算法。快速搜索算法虽然在速度上优于全搜索算法,但是由于快速搜索运动估计算法数据访问的不规则性,其搜索时间仍然较长。数据重用是提高运动估计算法性能的一种有效手段,国内外学者应用这一方法作了大量的相关研究。然而,目前针对于快速搜索运动估计的数据重用方法研究较少。本文以快速搜索运动估计算法的性能优化方法及其实现为研究目标,以一种典型的快速搜索运动估计算法TZSearch为研究对象,从同一个当前块的不同搜索步骤之间的数据重用和两个相邻当前块的搜索区域之间的数据重用两个方面展开研究工作。通过实验证明本文所提出数据重用方法可以有效地提高算法的运行效率。本文的创新点和贡献包括以下几个方面:(1)提出同一个当前块的不同搜索步骤之间的数据重用方法。结合TZSearch算法的搜索步骤,算法首先进行钻石搜索,然后再以上一步的搜索结果为中心进行光栅搜索,最后进行循环钻石搜索。根据算法的搜索过程,本文提出同一个当前块不同搜索步骤之间的数据重用方法,可以充分地利用搜索过程中数据重用区的数据,从而提高数据处理效率,降低算法的运行时间。本文首先分析了TZSearch运动估计算法及其数据访问特点。然后,分析算法在不同搜索步骤之间的数据重用范围。最后,将可重用数据保存在片上存储器以备后续搜索步骤中使用。在后续搜索步骤中可以直接从片上存储器中读取可重用数据,减少了对片外存储器的访问次数,加快了数据访问速度。实验结果表明,本文所提供的数据重用方法明显提高了TZSearch算法搜索的运行速度,最多将时间降低了62.02%。(2)提出两个相邻当前块的搜索区域之间的数据重用方法。结合TZSearch算法的搜索过程,本文提出两个相邻当前块的搜索区域之间的数据重用方法。该方法将搜索过程中数据重用区的数据在片上合理的利用起来,减少算法访问片外存储器的次数,降低算法的运行时间,进而提高数据处理效率。以TZSearch算法为例,本文首先分析了两个相邻当前搜索块在搜索过程中对应搜索区数据的可重用性,发现当两个相邻的当前块进行搜索时搜索区内的数据会发生重叠;然后预先将重叠区数据保存在片上存储器,以备后续搜索步骤中使用。在算法运行的过程中,可以直接在片上存储器中读取到视频图像重叠区域内的数据,仅需要访问片外存储器来搜索视频图像非重叠区域,从而减少了对片外存储器的访问次数,加快了数据访问速度。实验结果表明,本文所提供的数据重用方法明显提高了TZSearch算法的运行速度,最多将时间降低了54.79%。(3)优化方法的实现。在众核GPU平台上基于CUDA架构对运动估计算法进行性能优化,主要结合TZSearch算法的具体搜索特征和GPU的存储架构,运用数据重用这一优化方法对快速运动估计算法进行具体的分析与优化。通过对提出的优化方法进行实验,并且与相关的研究进行比较,测试提出的优化方法是否能得到最优的实验结果,最后将实验结果进行直观的展示。
【图文】：

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图 2-1 运动估计示意图计可分为全搜索算法和快速搜索算法两种。全搜索算法是对搜索区内与当前的搜索块比较，，搜索到一个与当前块最为相似的块，称之为匹优点是能够找到最优匹配块，缺点是搜索速度较慢。快速搜索算法是区内的部分搜索块进行搜索。相比于全局搜索算法快速搜索算法的优缺点是最终找到的匹配块可能不是最优的。在运动估计中，全搜索法动估计算法，同时全搜索法也是最可靠的搜索算法，最终得到的运动的，但它也存在着某些弊端，即算法的计算复杂度很高，通常需要花高算法的搜索速度，各种各样的基于块匹配的快速搜索算法已经被开估计在 ISO MPEG-1/2/4 和 ITU-T H.261/262/263 等视频编码标准的帧广泛的应用[40]。算法的原理即取一幅图像，把它分成若干大小相同的块，通过获得不位移计算其运动参数，算法的基本思想如下：将视频图像帧划分为若以块为单位寻找当前帧中每块在参考帧中最优匹配块的相对位置。块计中最常用的算法，本文的快速搜索算法性能优化就应用了块匹配算

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分为全搜索算法和快速搜索算法两种。全搜索算法是对搜索区前的搜索块比较，搜索到一个与当前块最为相似的块，称之为是能够找到最优匹配块，缺点是搜索速度较慢。快速搜索算法的部分搜索块进行搜索。相比于全局搜索算法快速搜索算法的是最终找到的匹配块可能不是最优的。在运动估计中，全搜索计算法，同时全搜索法也是最可靠的搜索算法，最终得到的运但它也存在着某些弊端，即算法的计算复杂度很高，通常需要算法的搜索速度，各种各样的基于块匹配的快速搜索算法已经在 ISO MPEG-1/2/4 和 ITU-T H.261/262/263 等视频编码标准的的应用[40]。的原理即取一幅图像，把它分成若干大小相同的块，通过获得计算其运动参数，算法的基本思想如下：将视频图像帧划分为为单位寻找当前帧中每块在参考帧中最优匹配块的相对位置。最常用的算法，本文的快速搜索算法性能优化就应用了块匹配动估计块匹配过程。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41

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