基于改进TZsearch的视频快速编码算法研究

随着网络多媒体技术的高速发展以及H.265/HEVC视频编解码标准的不断运用，如何高效地进行视频编码是值得关注的热点之一。针对高效编码视频序列的问题，基于H.265/HEVC帧间预测过程中的运动估计原理以及对视频图像最优点的概率统计，加入判断提前终止搜索条件，提出一种基于改进TZsearch的快速编码算法，有效降低了视频编码时间。通过对经典视频序列的编码验证和对比，改进TZsearch算法在满足编码质量的同时降低编码时间15.37%，更加准确、高效地实现了视频编码。

H.265/HEVC 作为目前广泛使用的视频编解码标准，主要采用混合编码框架技术，编码压缩能力相较于H.264 提升50% [1]。随着H.265/HEVC 编码率的提升，其编码效率也急剧降低[2]。其中帧间预测是时间复杂度最高的关键技术，同时能直接影响到视频编码后主客观质量，主要采用的方式是运动估计。

运动估计常用的搜索算法有新三步搜索算法[3]、二维对数搜索算法[4]、三步搜索算法(Three Step Search, TSS) [5]及全搜索算法(Full Search, FS) [6]等。在搜索最佳匹配块的过程中需要使用一定的搜索算法，是编解码过程中时间复杂度最高的模块，搜索的精度与时间决定视频的实时压缩效率，其中包括设置搜索的起点、搜索范围大小的确定、选取搜索模式。针对提升编码效率的需求，国内外学者对编码搜索算法开展了一系列的研究， 并进行了算法改进。

Li X 等人提出一种基于六边形搜索模板的改进TZSearch算法，将六边形搜索模板替代菱形模板，六边形模板仅需要30 次搜索，将搜索速度提升1.7~6.5 倍，性能损失小于2% [7]。Tang 等人提出一种基于运动情况改变搜索模板的改进TZSearch 算法，帧内运动剧烈的搜索块采用底数为4 的六边形搜索模板，运动缓慢的搜索块采用底数为4 的六边形搜索模板，帧间相关性大的搜索块采用光栅扫描模板，这种改进TZSearch 算法适用于平行相机拍摄的视频序列[8]。

Purnachand 等人提出一种提前设置阈值进行判断的改进TZSearch 算法，不再采用TZSearch 算法中传统八点钻石搜索模板，而是使用六边形搜索模板进行代替，并且在开始搜索过程前设定步长的阈值，当搜索步长小于设定阈值的情况下采用六边形搜索模板[9]。Kibeya 等人提出一种基于精细化搜索的改进TZSearch 算法， 不再根据搜索步长进行两点搜索和光栅扫描搜索， 直接使用八点钻石搜索模板进行搜索， 并提出三种细化搜索模型优化搜索路径来解决精度降低的问题[10]。

上述的算法大多适用于运动平稳的视频序列，针对较为复杂的视频序列会有较大的质量损失，并且上述算法均没有区分视频中物体高速与低速运动时的编码效率，存在搜索次数多、编码效率低等问题。本文提出一种基于改进TZsearch 的快速编解码算法，通过对高速与低速视频不同运动状态编码分析和算法改进，在保证编码质量的同时提升了编码效率，减少了编码时间，更加适用于实时视频编码的场景。

2. 运动估计 2.1. 运动估计原理 H.265/HEVC 中采用基于块匹配的运动估计，将一帧视频图片分成多个区域块，运动估计是指为当