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1、华中科技大学 硕士学位论文 运动估计技术研究及其在DaVinci平台上的实现 姓名：谢俊 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：周宗仪 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 如今，社会的发展和时代的进步离不开稳定和谐的社会秩序，因此安防问题逐 渐成为各国重视的国际问题。作为安防领域的主要方式，视频监控以其实时性，可 视性和可控性等特点和优势得到广泛的应用。随着视频编码技术、计算机技术和网 络技术的发展，视频监控技术得到了全面发展。 作为视频监控的核心技术，视频编码技术的发展推动着视频监控技术
2、的进步。 视频编码技术通过去除数据自身的冗余和利用人类视觉系统特性来实现视频压缩。 自上世纪 80 年代以来，ISO 和 ITU-T 就分别制定了 MPEGx 系列标准和 H.26x 系列 标准，这些主流的视频编码标准已广泛应用于各个领域。为打破专利上的束缚，我 国组织制定了具有独立自主知识产权的的音视频编码标准，即 AVS 标准。本课题就 来源于一个基于 AVS 的网络视频监控系统，主要应用于安防领域的视频监控。 运动估计作为视频编码技术的重要组成部分，很大程度上影响着视频编码的效 率和质量。综合考虑算法的硬件实现、复杂度、编码效率和编码质量，常用的运动 估计算法已不再适应视频监控领域的应用
3、。有鉴于此，本文提出了一种应用于视频 监控的自适应运动估计算法，包括整像素快速运动估计算法和 1/2 像素的快速运动 估计算法。本文提出的整像素运动估计算法充分利用了运动矢量的中心偏置特性和 视频监控领域的视频特性，对搜索模式和分块模式具有自适应编码特性。本文提出 的 1/2 像素快速运动估计算法充分利用了匹配误差单调性的特点， 对搜索点进行了提 前预测，减少了搜索点数。实验表明，本文所提出的算法在基本不影响视频质量的 前提下，较大幅度的提升了编码速度，而且算法易于硬件实现。 本课题采用了 TI 公司最新的 DaVinci 技术进行开发，并在数字视频评估模块 （DVEVM）上进行仿真评估。结合
4、 DSP 特点，从编译选项优化、C 代码级优化、 线性汇编优化，cache 和 DMA 优化等方面，本文提出了基于 TMS320DM6446 平台 的 AVS 编码器帧间编码算法的框架设计优化和 DSP 优化。 通过合理科学的使用各种 优化方法，大幅提升了系统在硬件平台的编码速度，基本达到了视频监控 D1 的实时 性需求。 关键词关键词：视频监控, AVS, 运动估计, 自适应, 达芬奇, 优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the development of socialization, se
5、curity has become an hot issue nowadays. Video surveillance has been widely adopted as an efficient safety and security method. As a fundamental part of video surveillance, video coding is playing an important role. With the development of the video coding technology, computer technology and network
6、 technology, video surveillance technology has been through an all-round development, becoming digital, network-connected and intelligent. As the core technology of video surveillance, video coding technology has been playing an important role in the development of the video surveillance technology.
7、 Video encoding technology aims to compress video data utilizing the data redundancy and human visual system characteristics. ISO and ITU-T have developed a series of standards respectively, MPEGx and H.26x. China has published its own Audio Video Coding Standards (AVS). This thesis is based from an
8、 AVS-based network video surveillance system, mainly used in the field of video surveillance security. As an essential part of video coding, motion estimation module has a great impact on the coding efficiency and quality. Considering the hardware implementation of algorithms, complexity, coding eff
9、iciency and coding quality, the traditional motion estimation algorithms are no longer adapted to the video surveillance applications. In view of this, this thesis proposes an adaptive motion estimation algorithm for video surveillance applications, utilizing the center-biased characteristics of vid
10、eo and special features of video surveillance. Furthermore, this algorithm has an adaptive capacity of search mode and partition mode. The experiments show that the proposed algorithm has a good performance of coding efficiency and quality. The latest DaVinci technology from TI is adopted in our vid
11、eo surveillance system. Based on the research of AVS video coding standard, combined with DSP features of TMS320DM6446, this thesis proposes the optimized framework for motion estimation module and several practical methods for optimization. After optimization, our system can support D1 encoding in
12、real-time. Keywords: video surveillance, AVS, motion estimation, adaptive, DaVinci, optimization 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位
13、论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 视频监控技术的发展概述视频监控技术的发展概述 如今，社会的发展和时代的进步离
14、不开稳定和谐的社会秩序，因此安防问题逐 渐成为各国重视的国际问题。作为安防领域的主要方式，视频监控以实时性，可视 性和可控性等特点和优势得到广泛的应用。随着计算机技术、网络技术、视频编码 技术、嵌入式技术和计算机视觉技术的迅猛发展，视频监控技术得到了长足而全面 的发展1。 视频监控技术始于上世纪六七十年代，当时还处于模拟技术阶段，主要使用闭 路电视监控系统（CCTV）1。上世纪 90 年代中期，随着计算机硬件技术和视频编 码技术的发展，人们逐渐开始使用计算机来实现监控视频的采集、编码、存储和处 理等过程。 自进入 21 世纪以来， 随着计算机技术的迅猛发展和网络技术的发展成熟， 视频监控技术逐
15、渐发展成熟。 智能化是当今视频监控技术的重要发展趋势2。随着视频监控技术的广泛应用， 系统应用的规模愈发庞大。如今，硬件的扩张成本还可以接受，但如果利用人力去 对海量的视频进行实时的监控和分析的成本是不可实现的。事实上，当今的视频监 控还只是靠人力对视频进行间歇性的监控，主要用途还是事故发生后依靠之前存储 的监控视频进行事故辅助调查3。 因此，新一代的视频监控系统不仅要对大量的视频 数据进行实时的采集、编码、处理、传输和存储，而且需要对采集到的视频数据进 行实时的智能分析，并进行相应反馈或报警。随着计算机技术、图像处理技术、计 算机视觉技术的发展，智能视频监控系统已能实现对监控视频进行目标检测
16、、目标 追踪、目标识别等功能4。 1.2 视频编码技术的原理和标准视频编码技术的原理和标准 作为视频监控的核心技术，视频编码技术的发展推动着视频监控技术的发展。 在视频监控的发展过程中，视频编码技术都发挥着举足轻重的作用。视频编码技术 主要利用了数据自身的冗余及人类视觉系统特性，对视频进行压缩，去除视频自身 的相关性，利用最少的码流来实现视频内容的最优化表达。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2.1 视频编码原理视频编码原理 如今，视频编码的主要技术可以分为预测编码，变换编码和熵编码5等，这些技 术都已经广泛地应用于各大视频编码标准中。 1）预测编码 预测编码6主要分为帧内预测和帧间预测。 帧内预测充分利用了一帧图像在空间上的相关性，利用这种空间上的相关性进 行预测以消除图像空间上的冗余。帧内预测主要是通过编码块周围相邻的像素值进 行加权预测，通过对帧内预测出的残差图像进行变换量化，从而大幅提高一帧图像 的帧内编码效率，如图 1.
