數(shù)字視頻設(shè)計報告

1、成績評閱人中國礦業(yè)大學(xué)2015-2016學(xué)年第一學(xué)期數(shù)字視頻技術(shù)課程小設(shè)計考核運動估計算法的實現(xiàn)（FS和TSS算法）專業(yè)班級：信息12-3班學(xué)生姓名：_徐冰潔、劉瑞航、李子龍學(xué)生學(xué)號：04121409、04121408、04121388指導(dǎo)教師：成績：本人鄭重聲明：本人認(rèn)真、獨立完成了查找資料、完成作業(yè)、編寫程序等考核任務(wù)無抄襲行為。簽字：徐冰潔日期：2015/11/12一、設(shè)計任務(wù)、目的和要求設(shè)計任務(wù):設(shè)計視頻壓縮系統(tǒng)中的運動估計算法要求：在兩幀圖像間實現(xiàn)多種運動估計算法。我們組選用的算法是全搜索算法(FS)和三步算法(TSS)。目的：培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)理論結(jié)合實際工程的能力。通過該課程設(shè)計，讓學(xué)

2、生掌握多媒體通信系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。二、總體方案設(shè)計系統(tǒng)運行環(huán)境及編程軟件平臺：Intel(R)Core(TM)i3-2310MCPU2.10Ghz2.10GhzWindow7旗艦版的PC平臺下，使用Matalab2009a作為仿真平臺進(jìn)行仿真。FS編碼算法原理：從原點出發(fā)，按順時針螺旋方向由近及遠(yuǎn)，在逐個像素處計算MAD值，直到遍歷搜索范圍內(nèi)聽有的點，然后在計算的所有點的MAD中找到最小值，該點所在位置即對應(yīng)最佳運動矢量。TSS編碼算法原理：d=7,它是通過三步搜索,逐步減小搜索步長。每次搜索都是以上一步的搜索結(jié)果為中心,進(jìn)行周圍一定步長的3*3像素的搜索。第一步,以窗口中心為中心,步長為4,進(jìn)

3、行周圍8個點搜索,根據(jù)匹配準(zhǔn)則得到一個最佳匹配點,共搜索了9個點;第二步,以上步最佳匹配點為中心,步長為2,繼續(xù)搜索周圍8個點得到匹配點,共搜索了8個點;第三步,同上一步,只是步長為1,最后得到的最佳匹配點就是要得到的運動估計的點,從而得到運動矢量。進(jìn)行圖像預(yù)測共進(jìn)行了25次塊匹配，同樣情況下，采用FS則需做225次塊匹配。一般地,TSS的運算量為獲取圖像三步搜索法圖解8log2d+1次塊匹配。TSS運算時間明顯減少,性能比FS有所下降，但它在硬件上容易實現(xiàn),是一種很常用的快速搜索算法。全搜索算法流程圖三、設(shè)計實現(xiàn)小組分工：李子龍負(fù)責(zé)查找資料,徐冰潔負(fù)責(zé)根據(jù)資料編寫程序代碼以及仿真劉瑞航負(fù)責(zé)測

4、試和整理報告程序代碼如下：FS算法I1=imread(C:UsersAdministratorDesktop運動估計算法11.bmp);%讀取第一幀圖像I1=rgb2gray(I1);%將第一幀圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖l2=imread(C:UsersAdministratorDesktop運動估計算法22.bmp);I2=rgb2gray(I2);%將第二幀圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖dm=7;%給圖像擴邊，每個邊都擴大dm大小I1=double(I1);I2=double(I2);rownumcolnum=size(I1);II=zeros(rownum+2*dm,colnum+2*dm);%生成零矩陣II(

5、dm+1:dm+rownum,dm+1:dm+colnum)=I1;fori=1:dmII(i,dm+1:dm+colnum)=II(dm+1,dm+1:dm+colnum);II(rownum+dm+i,dm+1:dm+colnum)=II(dm+rownum,dm+1:dm+colnum);endforj=1:dmII(1:rownum+2*dm,j)=II(1:rownum+2*dm,dm+1);II(1:rownum+2*dm,colnum+dm+j)=II(1:rownum+2*dm,dm+colnum);end%下面進(jìn)行全搜索算法tic%開始運行計時blocksize=16;row

6、blocks=rownum/blocksize;colblocks=colnum/blocksize;A=99999999999999999999;Eij=0;xrecord=ones(16,16);矢量%為了找到最小的均方誤差，A用于設(shè)定一個很大的初值yrecord=ones(16,16);diff=zeros(256,256);forx=0:(rowblocks-1)row=x*blocksize;fory=0:(colblocks-1)col=y*blocksize;forp=-dm:dmforq=-dm:dm%這幅圖的大小為256*256%x表示行中第幾個子塊%y表示列中第幾個子塊%（

7、p,q）表示x,y對應(yīng)子塊在前一幀的搜索位置%xrecord,yrecord用于存放匹配塊的塊號，即運動Eij=0;Eij=sum(sum(I2(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)-II(row+dm+p+1:row+dm+p+blocksize,col+dm+q+1:col+dm+q+blocksize).A2)/(blocksizeA2);ifEijAA=Eij;xrecord(x+1,y+1)=p;yrecord(x+1,y+1)=q;endendendA=999999999999999999;formx=1:blocksizeforny=1

8、:blocksizediff(row+mx,col+ny)=I2(row+mx,col+ny)-II(row+mx+dm+xrecord(x+1,y+1),col+ny+dm+yrecord(x+1,y+1);endendendendtoc%結(jié)束計時figure,imshow(I1,);title(第一幀圖像);figure,imshow(I2,);title(第二幀圖像);IIII=I2-I1;figure,imshow(IIII,);title(幀間誤差);figure,imshow(diff,);title(預(yù)測誤差);forx=0:(rowblocks-1)row=x*blocksiz

9、e;fory=0:(colblocks-1)col=y*blocksize;III(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)=II(row+dm+xrecord(x+1,y+1)+1:row+dm+xrecord(x+1,y+1)+blocksize,col+dm+yrecord(x+1,y+1)+1:col+dm+yrecord(x+1,y+1)+blocksize)+diff(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize);endendfigure,imshow(III,);title(第二幀恢復(fù)圖像);ERR=di

10、ff;numberarray=0:1:255;form=1:255numberarray(m+1)=0;end;zeronumber=0;forn=1:rownumform=1:colnumdif=abs(ERR(m,n);if(dif=0)temp=zeronumber;zeronumber=temp+1;elsenumberarray(dif)=numberarray(dif)+1;end;end;end;figure;plot(0,zeronumber,k*);holdon;plot(numberarray,r*),title(預(yù)測誤差分布);holdoff;ERR1=zeros(16,

11、16);fori=0:15forj=0:15ERR1(i+1,j+1)=round(sum(sum(ERR(i*blocksize+1:i*blocksize+blocksize,j*blocksize+1:j*blocksize+blocksize)/(blocksize*blocksize);endendnumberarray=0:1:255;form=1:255numberarray(m+1)=0;end;zeronumber=0;forn=1:16form=1:16dif=abs(ERR1(m,n);if(dif=0)temp=zeronumber;zeronumber=temp+1;

12、elsenumberarray(dif)=numberarray(dif)+1;end;end;end;figure;plot(0,zeronumber,k*);holdon;plot(numberarray,r*),title(預(yù)測誤差分布2);holdoff;figure;fori=1:16forj=1:16quiver(i,j,xrecord(i,j)/16,yrecord(i,j)/16);holdon;endendgridon;figure;quiver(1:16,1:16,yrecord,xrecord);gridon;TSS算法%讀第%讀第I1=imread(C:UsersAdm

13、inistratorDesktop運動估計算法11.bmp);一幀圖像I1=rgb2gray(I1);l2=imread(C:UsersAdministratorDesktop運動估計算法22.bmp);二幀圖像I2=rgb2gray(I2);dm=7;I1=double(I1);I2=double(I2);rownumcolnum=size(I1);II=zeros(rownum+2*dm,colnum+2*dm);II(dm+1:dm+rownum,dm+1:dm+colnum)=I1;fori=1:dmII(i,dm+1:dm+colnum)=II(dm+1,dm+1:dm+colnum

14、);II(rownum+dm+i,dm+1:dm+colnum)=II(dm+rownum,dm+1:dm+colnum);endforj=1:dmII(1:rownum+2*dm,j)=II(1:rownum+2*dm,dm+1);II(1:rownum+2*dm,colnum+dm+j)=II(1:rownum+2*dm,dm+colnum);endtic%開始計時blocksize=16;rowblocks=rownum/blocksize;colblocks=colnum/blocksize;A=99999999999999999999;%Eij=0;xrecord=ones(16,1

15、6);%yrecord=ones(16,16);diff=zeros(256,256);forx=0:(rowblocks-1)row=x*blocksize;fory=0:(colblocks-1)col=y*blocksize;forp1=-4:4:4forq1=-4:4:4Eij=0;Eij=sum(sum(I2(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)-II(row+dm+p1+1:row+dm+p1+blocksize,col+dm+q1+1:col+dm+q1+blocksize).A2)/(blocksizeA2);ifEijAA=Eij;

16、xrecord(x+1,y+1)=p1;yrecord(x+1,y+1)=q1;endendendp1=xrecord(x+1,y+1);q1=yrecord(x+1,y+1);forp2=p1-2:2:p1+2forq2=q1-2:2:q1+2ifp2=p1|q2=q1Eij=0;Eij=sum(sum(I2(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)-II(row+dm+p2+1:row+dm+p2+blocksize,col+dm+q2+1:col+dm+q2+blocksize).A2)/(blocksizeA2);ifEijAA=Eij;xrec

17、ord(x+1,y+1)=p2;yrecord(x+1,y+1)=q2;endendendendp2=xrecord(x+1,y+1);q2=yrecord(x+1,y+1);forp3=p2-1:1:p2+1forq3=q2-1:1:q2+1ifp3=p2|q3=q2Eij=0;Eij=sum(sum(I2(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)-II(row+dm+p3+1:row+dm+p3+blocksize,col+dm+q3+1:col+dm+q3+blocksize).A2)/(blocksizeA2);ifEijAA=Eij;xreco

18、rd(x+1,y+1)=p3;record(x+1,y+1)=q3;endendendendA=999999999999999999;formx=1:blocksizeforny=1:blocksizediff(row+mx,col+ny)=I2(row+mx,col+ny)-II(row+mx+dm+xrecord(x+1,y+1),col+ny+dm+yrecord(x+1,y+1);endendendendtoc%結(jié)束計時figure,imshow(I1,);title(第一幀圖像);figure,imshow(I2,);title(第二幀圖像);IIII=I2-I1;figure,im

19、show(IIII,);title(幀間誤差);figure,imshow(diff,);title(預(yù)測誤差);forx=0:(rowblocks-1)row=x*blocksize;fory=0:(colblocks-1)col=y*blocksize;III(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize)=II(row+dm+xrecord(x+1,y+1)+1:row+dm+xrecord(x+1,y+1)+blocksize,col+dm+yrecord(x+1,y+1)+1:col+dm+yrecord(x+1,y+1)+blocksize)+di

20、ff(row+1:row+blocksize,col+1:col+blocksize);endendfigure,imshow(III,);title(恢復(fù)后的第二幀圖像)ERR=diff;numberarray=0:1:255;form=1:255numberarray(m+1)=0;end;zeronumber=0;forn=1:rownumform=1:colnumdif=abs(ERR(m,n);if(dif=0)temp=zeronumber;zeronumber=temp+1;elsenumberarray(dif)=numberarray(dif)+1;end;end;end;f

21、igure;plot(0,zeronumber,k*);holdon;plot(numberarray,r*),title(預(yù)測誤差分布);holdoff;ERR1=zeros(16,16);fori=0:15forj=0:15ERR1(i+1,j+1)=round(sum(sum(ERR(i*blocksize+1:i*blocksize+blocksize,j*blocksize+1:j*blocksize+blocksize)/(blocksize*blocksize);endendnumberarray=0:1:255;form=1:255numberarray(m+1)=0;end;

22、zeronumber=0;forn=1:16form=1:16dif=abs(ERR1(m,n);if(dif=0)temp=zeronumber;zeronumber=temp+1;elsenumberarray(dif)=numberarray(dif)+1;end;end;end;figure;plot(0,zeronumber,k*);holdon;plot(numberarray,r*),title(預(yù)測誤差分布2);holdoff;figure;fori=1:16forj=1:16quiver(i,j,xrecord(i,j)/16,yrecord(i,j)/16);holdon;endendgridon;figure;quiver(1:16,1:16,yrecord,xrecord);gridon;四、仿真結(jié)果參考圖像:全搜索算法仿真結(jié)果：根據(jù)全搜索算法得到的第二幀圖像第二幀運動位移矢量圖三步搜索算法仿真結(jié)果：根據(jù)三步算法恢復(fù)的第二幀圖像第二幀圖像運動位移矢量圖仿真結(jié)果分析:通過實驗我們得到各種匹配算法的Matalab執(zhí)行時間、重構(gòu)圖像。Matalab執(zhí)行時間反映了算法的執(zhí)行效