基于GPU的運動估計算法優化的探究

(山東師范大學 山東 濟南 250300)

視頻在人們的日常生活中扮演著越來越重要的娛樂角色。同時人們對視頻清晰度的要求也越來越高，那么視頻的存儲容量也變的越來越大。如今，移動設備的廣泛使用，視頻的實時性傳輸的要求也在提高，現有的傳輸技術還滿足不了大容量視頻實時性傳輸的要求。于是對視頻的壓縮變得尤為重要。

一、引言

H．264視頻編碼標準比以前的標準提出了更多的技術，編碼效率大為提升。提出宏塊的劃分概念，使得在運動估計搜索之后能夠的到更精確的運動矢量，提高幀間預測的精度。雖然這種方法能夠更加精確的預測運動矢量，但相應的每個子塊的計算復雜度也大為增加，如果我們利用串行的方法解決這個問題將耗費很長的時間，尤其對清晰度比較高的視頻。即使在現有的CPU的技術之上，計算所耗費的時間仍然是巨大的不能夠滿足視頻實時性壓縮編碼的要求。GPU(Graphics Processing Unit)圖形處理器，最初的目的是用來處理CPU送來的圖形元素，正確顯示在圖形輸出設備上。主要承擔輸出顯示圖形的任務，且對于從事專業圖形設計以及處理的人員來說性能好、效率高的顯卡就顯得尤為重要。近年來，在實際應用中程序的并行性帶來的便利及高效受到大家的追捧、青睞。而且隨著GPU的發展GPU強大的通用計算計算能力越來越受到人們的注意。尤其，英偉達公司開發的計算統一設備架構(CUDA)在GPU上的使用，充分利用了并行計算的思想，不僅在圖像處理方面展現了強大的性能，在通用計算方面也取得了很大進展。如果利用GPU去實現運動估計將會帶來顯著的效益，而且很多學者也把精力放在了這一方面而且也都在此方面做出了進一步的創新。

二、運動估計

(一)搜索算法和運動估計準則的分類

為了提高視頻編碼效率大多數學者在搜索算法方面做的工作是比較多的。根據搜索點數可以將其分為兩大類，一類是全搜索，另一類是快速搜索。全搜索又分為無遺漏法(Exhaustive Search Algorithm)、繼承排除法(SEA)、多層繼承排除法(MSEA)等，快速搜索又分為鉆石搜索、三步搜索、新三步搜索、四步搜索、新四步搜索、矢量場自適應法(MVFAST)、非對稱十字型多層次六邊形格點法(UMHexagonS)等等。根據搜索方式又可分為逐行掃描和隔行掃描，光柵搜索，螺旋搜索，兩點搜索等。全搜索是要搜索所有的像素點因而工作量非常大，通常只是把它作為一種比較。在的運動估計的研究中，更多的學者更喜歡快速搜索，不僅可以提高壓縮性能而且可以實際應用。

運動估計提取圖像信息運動過程的方式有三種：基于像素、基于像素區域、基于像素塊。基于像素塊的運動表示方法同時考慮了運動估計的精度和復雜度，它是基于像素的運動表示和基于區域的運動表示的一個折中，所以基于塊的運動表示法是目前最常采用的方法。

(二)運動估計的研究現狀

運動估計在整個視頻壓縮過程中的耗時是最長的一部分，因此成為視頻壓縮中最重要的一部分，對運動估計的優化也顯得格外的重要。大量的研究者已經對此部分從不同的方面做出了非常大的貢獻。

1.從硬件方面的創新

也有一部分工作者致力于硬件方面的改進使其達到更高的并行性以期望達到更高的視頻壓縮碼率。比如，Huong Ho等人提出了多幀分級運動估計(MFHME)電路的架構設計和FPGA實現，為了實現低計算復雜度，基于分層結構設計電路并且使用預先計算的查找表來提供平方像素差異。實現結果表明，該電路能夠在55MHz的時鐘頻率下支持從30幀/秒到60幀/秒的高清視頻(1080P格式)的幀速率上變換。Abdulkadir Akin等人提出了降低塊匹配(BM)ME硬件功耗的比較預測(CP)技術。CP技術降低了BM ME硬件執行的絕對差分操作的功耗。CP技術可以很容易地在所有BM ME硬件中使用。在XC2VP30-7 FPGA上，該硬件的平均動態功耗降低了2.2%，峰值信噪比(PSNR)降低了9.3%，PSNR損失降低了0.04%。

2.CPU和GPU的協同并行

合理的在GPU和CPU上合理地分配并行任務，使用快速搜索算法加快視頻編碼速度。王等人提出了基于多核CPU和多核GPU平臺的HEVC編碼器并行加速可變塊尺寸運動估計的策略，將運動估計任務合理的分配到CPU和GPU上又采用了跨波陣面用于CPU上的線程和GPU上的線程之間的有效同步。雖然壓縮性能有所下降，但是視頻編碼效率大為提升。蕭等人也提出了CPU和GPU共同加速編碼的思想。他們首先在GPU上實現一個快速算法，此算法可以避免由于缺少運動矢量預測器而導致的編碼效率損失。其次，在CPU上提出一種快速算法充分利用GPU結果而沒有任何編碼效率損失。

3.基于自適應搜索范圍的快速運動估計算法

沈燕飛等人提出了一種自適應的快速全搜索運動估計算法。算法是在連續消除算法和多階連續消除算法的基礎上實現的。王泉等人提出了一種使用具有方向偏向性搜索模板和基于預測模式自適應選擇運動估計方案的EPZS(enhanced predictive zonal search)改進算法。其中利用了H.264編碼標準中的多參考幀、多預測模式屬性。Sangmin Kim等人也提出了自適應搜索范圍決策加速運動估計的思想，其中又結合了Lee等人的所采用的分層絕對差異和方法，使得在GPU中的并行運動估計計算量減少，加快了運動估計。

4.減少并行計算量

Lee等人提出了一種高度并行可變塊大小的全局搜索運動估計算法，通過根據數據量和數據依賴性的同時采用并行減少的方法增加線程的利用率來加快運動估計。Sangmin Kim等人在自適應搜索方法的基礎上也采用了對GPU中的并行運動估計計算量減少的方法，提高視頻編碼效率。

此外還有的研究者在數據的重用、整數像素搜索和分數像素搜索、優化內存以及對寄存器的合理使用、和對某一搜索算法改進等多方面做出了大量的工作。

三、各種方法的比較

以上各種方法的結果是沒有可比較性的。而我們主要比較的是實現環境，方法的簡單、復雜及優劣，研究方法是適應于學術的研究還是適應生活實際中的應用。雖然對于每一種運動估計方法都不一樣，但每一種方法的實現又不是孤立存在的，每種方法里也都包含著其他方法所使用的一些技術或者某種方法。這對我們研究的啟發就是在以后的研究當中可以在別人的研究結果基礎上做出進一步的優化。

四、結論

通過對以前研究者在運動估計的優化研究方面所使用的方法的簡單歸類和整理，可以看出他們使用的方法不同，即使方法一樣但不同的角度去優化得出的結果也不同。給我們的啟示就是在對運動估計的研究中有多種方法可以使用，每種方法都有自己的特點，要合理的選擇適合自己的某種方法進行研究。本篇文章的目的就是為了方便自己學習，同時也希望能夠幫助那些剛接觸運動估計的研究者。最后自己給自己的建議就是要理解運動估計搜索算法，掌握CDDA的使用。為下一步的學習做好基礎。

[1]沈燕飛,黃晁,李錦濤,嚴權鋒.“一種自適應的快速全搜索運動估計算法”.中國圖象圖形學報,V01．8(A)，spec．2003.

[2]王泉,程嘉利.“一種面向H．264/AVC的運動估計算法”中國圖象圖形學報,V01．13，No．6 2008.