A
mis pad es
y
a
mi he mana Elena.
n
La inspi ación exis e,
pe o iene que encon a e abajando."
Pablo Ruiz Picasso, pin o
y
escul o espa iol
(1881-1975).
En es as dos úl imas décadas se ha p oducido un espec acula a ance de los
es ánda es de comp esión de hagen
y
ídeo, guiado po el obje i o de consegui unas
asas de comp esión cada ez más ambiciosas. No obs an e, es a e olución, ha aído
consigo un conside able aumen o en los equisi os de p ocesamien o exigidos a los
sis emas de codi /cación
y
decodi icación compa ibles con es os es ánda es de
comp esión. Es e hecho cob a especial ele ancia en la es imación de mo imien o,
pues és a ep esen a, po su ele ado cos e compu acional, así como po su hpac o
sob e los ni eles de comp esión alcanzados, la e apa c í ica de un codi /cado de ídeo
compa ible con cualquie es ánda de comp esión híb ida de lCeo conocido.
En es e con ex o, nume osos h es igado es han p opues o mul i ud de es a egias de
búsqueda de ec o es de mo imien o con el obje i o de educi el es ue zo
compu acional inhe en e al p oceso de es imación de mo imien o. Es as es a egias se
Resumen
basan, po lo gene al, en un conjun o de conside aciones hiciales ace ca de las ca ac e lj icas
espaciales
y
empo ales de la secuencia de ídeo a comp imi . Asimismo, con el obje i o de
maximka sus p es aciones pa a de e minadas aplicaciones, la mayo pa e de las es a egias
de es imación de mo imien o es án pa icula kadas pa a un de e minado es ánda de
codi icación de ídeo
y,
den o de és e, pa a un ango conc e o del po cen aje de comp esión.
Es as ca ac e lj icas de e minan que, an e cambios en la na u aleza de la secuencia de ídeo
a comp imi , en las necesidades del usua io, y/o en los equisi os del es ánda , las
p es aciones de comp esión p opo cionadas po las es a egias de es imación de mo imien o
p opues as has a aho a no es én ga an izadas.
En es a Tesis Doc o al se p opone un nue o algon0no de es imación de mo imien o,
denominado VBS-ACBM (Va iable Block Ske
-
Adap i e Cos Block Ma ching), que ealka
el cálculo de ec o es de mo imien o pa a cualquie a de los amaños de bloques de pReIes
y
p ecisión de los ec o es de mo imien o de inidos po los es ánda es H.263
y
H264/A VC
y
po 10 an o, de mane a Nnplíci a, pa a los de inidos po cualquie es ánda de comp esión de
lCeo. Es e algo i mo ga an ka, g acias al uso de las es a egias adap a i as desa olladas en
es a Tesis, unas p es aciones de comp esión óp imas pa a odo ipo de secuencias de ídeo
y
equisi os de comp esión, con un cos e compu acional educido.
De igual mane a, se p esen an en es a Tesis un conjun o de soluciones a qui ec u ales pa a la
hplemen ación e icien e del algo i mo VBS-ACBM en co& icado es de ídeo con
es icciones de uncionamien o en iempo eal. En pa icula , se apo an dos nue as
a qui ec u as pa a la es imación de mo imien o con p ecisión en e a
y
pos e io e inamien o
sub-pReI de ec o es de mo imien o. La in oducción de un conjun o de no edosas
es a egias a qui ec u ales plan eadas en es a Tesis pe mi e ob ene , en ambas a qui ec u as,
mejo as signi ica i as con espec o a abajos publicados en la bibliog a iá ecien e.

Tengo la inmensa sue e de pode a i ma que la ealización de es a Tesis Doc o al se ha
con e ido en una expe iencia inol idable. Desde es as líneas, me gus a ía exp esa mi
más since o ag adecimien o a las pe sonas que lo han hecho posible.
A mis di ec o es de Tesis, José Fco López
y
Robe o Sa mien o, po la con ianza que
deposi a on en mídesde el p ime momen o, así como po su incondicional apoyo du an e
odos es os años. El hecho de que dos pe sonas a las que admi o p o undamen e, an o
desde el pun o de is a p o esional como pe sonal,
y
que ep esen an pa a mí un ejemplo
a segui , se hayan con e ido no sólo en mis di ec o es de Tesis sino ambién en
e dade os amigos, me lle a a ea i ma me en mi idea de que he enido muchísima sue e.
A mis compañe os Valen ín de A mas, Gus a o Ma e o
y
Félix Tobajas les engo que da
las g acias po an as cosas que, pa a no abu i al lec o ,
y
abusando de la con ianza que
engo con ellos, las esumi é en un inj~~s o 'pcias po odo': En cualquie caso, lo que
no quie o pasa po al o es aquello po lo que, sin duda alyna, les es oy más ag adecido:
su impagable amis ad con la que me hon an cada día.
I
iii
Ag adecimien os
A An onio Núñez po ab i me de pa en pa las pue as del Ins i u o Uni e si a io de
Mic oelec ónica Aplicada, den o del cual he podido ealiza es a Tesis Doc o al
A Rubén A eaga, Robe o Espe -Chaín, F ancisco González Luis He nández Juan An onio
Mon iel, Héc o Na a o, Raúl Regido , Ca los Ja ie Sosa
y
6sca Tubío les ag adezco su
absolu a disposición a la ho a de ayuda me a sal a muchos de los obs áculos con los que me he
encon ado du an e es os años.
A E nes o Pe ea
y
a Vi iana D 'Al o, po b inda me la ex ao dina ia opo unidad de ealiza una
es ancia de in es igación en los cen os de Milán
y
Pado a de la compañía STMic oelec onics,
pe mi iéndome pa ic~pa de pleno en el exci an e p oyec o Nomadik Asimismo, quisie a exp esa
mi ag adecimien o a la Fundación Uni e si a ia de Las Palmas
y
a La Caja de Cana ias, po
colabo a en la inanciación de es a es ancia po medio del p og ama Inno a.
Fue a del ámbi o me amen e académico e in es igado , me gus a ía da le las g acias a mi o o
g upo de amigos, po lo mucho que supone pa a míque sean p ecisamen e eso, mis amigos.
G acias a i, Vanessa, po u alien o cons an e pa a que saca a adelan e la Tesis, sopo ándome
y
animándome con in ini a paciencia
y
gene osidad en los momen os menos buenos, en los que has
sido la única pe sona capaz de a anca me una son isa. Pa a mi o una, es o no es o odo po lo
que engo que da e las g acias, al con a io, me queda lo más impo an e. Sin duda alguna, lo
que más e ag adezco son los inol idables momen os que me has egalado a u lado. Desde es e
';Oizqui o
"
de ex o, de odo co azón, in ini as g acias.
Po úl imo, g acias a mis pad es, Sebas ián
y
Micaela, po que ellos, sencillamen e, me han dado
odo a cambio de nada. Sólo espe o que odos es os años de abajo
y
silenciosos es ue zos po su
pa e, dedicados en exclusi idad a da una o mación
y
unos alo es a sus dos hgos, hayan se ido
pa a que hoy se sien an an o gullosos de ml; como yo lo es oy de ene los como pad es. A ellos
les debo odo lo que soy
~~NDICE GENERAL
Resumen
....................................................................................................................
i
, ,
. .
,
Ag adecimien os
.......................................................................................................
III
hdice gene al
............................................................................................................
hdice de igu as
........................................................................................................
xi
[ndice de ablas
.......................................................................................................
x ii
Ac 6nimos..
.............................................................................................................
xix
1
lNTRODUCCl6N
..............................................................................................
1
1.1
PLANTEAMIENTO
DEL PROBLEMA
3
1.2
MOTIVACI~N
DE
LA
TESI
5
1
.3
OBJETIVOS
DE
LA
TESIS
..................................................................................
9
1.4
ORGAN~ZAC~~N
DE
LA
TESI
11
índice gene al
2
ESTADO DEL ARTE DE LA CODIFICACI6N H BRIDA DE V DEO
...................
15
2.1
CODIFICACI~N
HíBRIDA
DE
VIDEO
17
2.1.1
Esquema gene al de uncionamien o de un codi icado híb ido de ídeo
......
17
2.1.1.1
Unidad de p ep oces
18
2.1.1.2
Unidad de educción de edundancias espaciales
................................
20
2.1.1.3
Unidad de educción de edundancias empo ales
..............................
22
2.1.2
Es ánda es de comp esión de imagen
y
ídeo
25
2.1.2.1
Es ánda es de comp esión de imagen
26
2.1.2.2
Es ánda es de comp esión de ídeo
2 7
2.1.2.3
No edades en la e apa de es imación de mo imien o du an e el p oceso
de es anda ización
32
2.2
TECNICAS
DE
OPTIMIZACION
LAGRANGIANA
EN
CODIFICADORES
HíBRIDOS
DE
VIDEO
39
2.2.1
Técnicas de op imización basadas en mul iplicado es de Lag ange
.............
40
2.2.2
Aplicación de las écnicas de op imización lag angiana a codi icado es
híb idos de ídeo
42
2.3
ESTADO
DEL
ARTE
EN
ESTlMAClON
DE
MOVIMIENTO
45
2.3.1
Algo i mos ápidos de es imación de mo imien o
......................................
45
2.3.2
A qui ec u as de es imación de mo imien o
53
2.3.2.1
A qui ec u as de es imación de mo imien o con p ecisión en e a
........
55
2.3.2.2
A qui ec u as de es imación de mo imien o con p ecisión sub-píxel
....
58
2.4
CONCLUSIONE
60
3
PROPUESTAS ALGOR TMICAS DE ESTlMACl6N DE MOVIMIENTO
ADAPTATIVA
........................................................................................................
63
3.1
ANALISIS
DEL
PROCESO
DE
ESTIMACION
DE
MOVIMIENTO
....................................
65
3.1.1
Mo i ación del análisis
.............................................................................
65
3.1.2
En o no de análisis: p opues a sob e los pa áme os de ca ac e ización
.......
69
3.1.3
Resul ados de la ca ac e ización
...............................................................
71
índice de igu as
Figu a 3.16:
Núme o medio de posiciones e aluadas po mac obloque con ajus e de la cons an e
adap a i a con
8
Figu a 3.17:
Zonas es á icas de al a ac i idad espacial en la secuencia
DEADLINE.
...................
99
Figu a 3.18:
Esquema de decisión con ajus e de la cons an e adap a i a pa a bloques de al a
. .
ac i idad espacial.
..............................................................................................................
100
Figu a 3.19:
Resul ados de comp esión pa a di e en es alo es de
y
.....................................
101
Figu a 3.20:
Núme o medio de posiciones e aluadas po mac obloque pa a di e en es alo es de
102
Figu a 3.21:
P es aciones de comp esión con ac o es de cuan i icación ele ados pa a las asas
de mues e0 empo al es udiadas.
.......................................................................................
104
Figu a 3.22:
P es aciones de comp esión con ac o es de cuan i icación bajos pa a secuencias
mues eadas a
5
o og amas po segundo.
...........................................................................
105
Figu a 3.23:
Núme o medio de posiciones e aluadas po mac obloque con c i e io de decisión
dinámico.
..........................................................................................................................
106
Figu a 3.24:
E apa de e inamien o en el algo i mo
PBM
(a)
y
p opues a de modi icación pa a
educi el cos e ha dwa e asociado (b)
110
Figu a 3.25:
Compa ación de p es aciones de comp esión en e el algo i mo
ACBM
o iginal
y
ACBM
modi icad
111
Figu a 3.26:
Núme o medio de posiciones e aluadas po mac obloque en la solución inal
adop ad
112
Figu a 3.27:
Es udio de modos de codi icación u ilizados po el es ánda
H.264/AVC.
..........
115
Figu a 3.28:
Esquema de decisión en el algo i mo
VBS-ACBM 11
7
Figu a 3.29:
P es aciones de comp esión ob enidas con el algo i mo
VBS-ACBM
pa a el
es ánda
H.264/AVC 118
Figu a 3.30:
Núme o medio de posiciones e aluadas po mac obloque con el algo i mo
VBS-
ACBM
pa a el es ánda
H.264/AVC. 119
Figu a4.1:
Esquema gene al de la a qui ec u a p opues a pa a la es imación de mo imien o
según el algo i mo
VBS-ACB 128
1
xiii

índice de igu as
Figu a4.2:
Esquema gene al de la a qui ec u a p opues a pa a el módulo de es imación de
mo imien o con p ecisión en e a
..........................................................................................
133
Figu a 4.3:
E aluación de posiciones den o del á ea de búsqueda po pa e de cada uno de los
g upos de elemen os de p oces
135
Figu a 4.4:
Es uc u a in e na de un elemen o de p oceso gené ico.
......................................
144
Figu a 4.5:
Diag ama de bloques co espondien e a un g upo de elemen os de p oceso.
..........
145
Figu a 4.6:
P opues a de almacenamien o en cua o egis os de acumulación de los SADs
co espondien es a los bloques
4x4
den o de un mac obloqu
145
Figu a 4.7:
Es uc u a
y
con ol del bloque SADpCOMPOSER
147
Figu a 4.8:
Es uc u a
y
con ol del bloque compa ado de mínimos
......................................
149
Figu a 4.9:
Campos del egis o de con igu ació
150
Figu a 4.10:
A bol de dependencias.
152
Figu a 4.1 I
:
Di e en es posibilidades de compa ación en cada uno de los módulos CHECKER.153
Figu a 4.12:
Modi icación del g upo de elemen os de p oceso pa a el caso de es udio
M
=
4 y
N
-
-
155
Figu a 4.13:
Resul ados en é minos de eliminación emp ana de candida os pa a la a qui ec u a
dees udiocon
M=
16y
N=
1 158
Figu a 4.14:
Resul ados en é minos de eliminación emp ana de candida os pa a la a qui ec u a
de es udio con
M=
4 y
N=
4. 161
Figu a 4.15:
G upo de elemen os de p oceso modi icado pa a la implemen ación del algo i mo
PBM-HW
167
Figu a4.16:
A qui ec u a del módulo de e inamien o de medio píxel a ni el de bloques
uncionale
172
Figu a 4.17:
Campos del egis o de con igu ación modi icado
173
Figu a 4.18:
Dis ibución de los píxeles u ilizados
y
las mues as de medio píxel calculadas po un
bloque in e polado del módulo de e inamien o de medio píxe
174
Figu a 4.19:
Es uc u a de il ado de cada bloque in e polado de medio píxel.
.....................
176
Figu a 4.20:
Dis ibución de los píxeles u ilizados
y
las mues as de medio píxel calculadas po un
bloque in e polado median e in e polación bilineal
...............................................................
178
índice de igu as
Figu a 4.21:
A qui ec u a sis ólica de e inamien o de ec o es de mo imien o a coo denadas de
medio píxel con
M=l
y
N=8.
.............................................................................................
179
Figu a 4.22:
Elemen o de p oceso gené ico de la a qui ec u a sis ólica de e inamien o de medio
píxel.
.................................................................................................................................
181
Figu a4.23:
Almacenamien o de SADs en un elemen o de p oceso de medio píxel pa a los
di e en es modos de es imación de mo imien o.
...................................................................
182
Figu a4.24:
Diag ama de iempos de e inamien o de ec o es a coo denadas de medio píxel
pa a un modo de es imación de mo imien o cualquie 184
Figu a4.25:
A qui ec u a del módulo de e inamien o de cua o de píxel a ni el de bloques
uncionale 185
Figu a4.26:
Dis ibución de las mues as de píxel
y
medio píxel u ilizadas,
y
mues as de cua o
de píxel calculadas po un bloque in e polado de cua o de píxel pa a un desplazamien o
de e minado 188
Figu a 4.27:
A qui ec u a sis ólica con
M=l
y
N=8 de e inamien o de ec o es de mo imien o
a coo denadas de cua o de píxe 190
Figu a 4.28:
Elemen o de p oceso gené ico de la a qui ec u a sis ólica de e inamien o de cua o
de píxe 191
Figu a 4.29:
Diag ama de iempos de e inamien o de ec o es a coo denadas de cua o de píxel
pa a el modo de es imación de mo imien o 4x4 193
Figu a 4.30:
Ciclos de abajo po mac obloque ob enidos pa a el e inamien o sub-píxel en
di e en es casos de es udi 194
Figu a 4.3
1
:
Es a egia de e i icación empleada en es a Tesis 200
Figu a 4.32:
Modi icación del elemen o de p oceso p opues a en [CCH OGa] con el obje i o de
sopo a di e en es modos de es imación de mo imien o 205
Figu a 4.33:
Núme o de pue as NAND2 equi alen es pa a di e en es o ma os de ídeo
y
a qui ec u as. 207
Figu a
A.
I
:
Fo og ama de mues a de las secuencias TABLE (A), DEADLINE
(B),
FOREMAN (C),
Miss AMERICA (D), PAMPHLET (E), SUZIE (F)
y
COASTGUARD
(G).
.....................................
251
índice de igu as
0
~~NDICE DE
TABLAS
Tabla 4.1
:
Diag ama de iempos del módulo de es imación de mo imien o con p ecisión en e a
pa a
M=
1
y
N=
16 138
Tabla4.2:
Diag ama de iempos simpli icado del módulo de es imación de mo imien o con
p ecisión en e a pa a
M=
4
y
N
=
4. 139
Tabla4.3:
Diag ama de iempos simpli icado del módulo de es imación de mo imien o con
p ecisión en e a pa a
M=
16
y
N=
1 140
Tabla 4.4:
Casos seleccionados pa a la compa ación a qui ec u a1 de p es aciones en é minos de
eliminación emp ana de candida o 156
Tabla4.5:
Nume o de pue as NAND2 equi alen es (miles) pa a cada bloque uncional
y
a qui ec u 162
Tabla4.6:
Diag ama de iempos simpli icado del módulo de es imación de mo imien o con
p ecisión en e a pa a el algo i mo
PBM-HW
166
Tabla4.7:
Diag ama de iempos del sis ólico de elemen os de p oceso de medio píxel pa a un
bloque gené ico de 4x4 píxele 180
x ii
índice de
ablas
Tabla4.8:
Diag ama de iempos del sis ólico de elemen os de p oceso de cua o de píxel pa a un
bloque gené ico de
4x4
píxeles.
............................................................................................
192
Tabla 4.9:
Núme o de pue as NAND2 equi alen es (miles) pa a cada bloque uncional de los
sub-módulos de e inamien o de medio y cua o de píxe 197
Tabla 4.10:
Requisi os de almacenamien o (en by es) del módulo de e inamien o sub-píxel
p opues o 198
Tabla 4.1 I
:
Casos de es e i icados en las a qui ec u as p opues as.
...................................
201
Tabla 4.12:
Resumen de las ca ac e ís icas de las a qui ec u as de es imación de mo imien o con
p ecisión en e a analizada 209
Tabla
A.
I
:
Ca ac e ís icas espaciales y empo ales de las secuencias de ídeo u ilizadas
..........
250
x iii
1

4CIF:
ACBM:
ACBM-HW:
AMPD:
AVC:
CD-ROM:
CGRA:
CIF:
CMOS:
DCT:
ENDIVIA:
ETSII:
FIR:
FPGA:
FSBM:
4
Common ln e media e Fo ma .
Adap i e Cos Block Ma ching.
Adap i e Cos Block Ma ching
-
Ha dWa e.
Ad anced Mode P e-Decision.
Ad anced Video Coding.
Compac Disc
-
Read Only Memo y
Coa se-G ain Recon igu able A chi ec u es.
Common ln e media e Fo ma .
Complemen a y Me al Oxide Semiconduc o
Disc e e Cosine T ans o m.
EN o no de Diseño basado en lPs con sopo e pa a Ve i icación
y
depu ación, In eg ación con edes en chip
y
Aplicaciones mul imedia.
Escuela Técnica Supe io de Ingenie os Indus iales.
Fini e Impulse Response.
Field P og ammable Ga e A ay
Full Sea ch Block Ma ching.
xix
Ac ónimos
0
HDTV:
HPR:
IMEC:
I
P:
ISO:
ITU:
JPEG:
J :
LUT:
MPEG:
NoC:
PBM:
PBM-HW:
PE:
PSNR:
QCIF:
QPR:
RTL:
SAD:
SOB:
SVC:
VBS-ACBM:
VBSME:
VCEG:
VOD:
H~gh De ini ion Tele Vision.
Hal Pixel Re inemen .
ln e uni e si ies Mic oElec onics Cen e .
ln ellec ual P ope y
ln e na ional O ganiza ion o S anda dka ion.
ln e na ional Telecommunica ion Union.
Join Pho og aphk Expe s G oup.
Join Video Team.
L ook- Up Table.
Mo ing Pic u e Expe s G oup.
Ne wo k on Chip.
P edic i e Block Ma ching.
P edic i e Block Ma ching- Ha dWa e.
P ocessing Elemen .
Peak S~gnal o Noise Ra io.
Qua e Common In e media e Fo ma .
Qua e Pixel Re inemen .
Regis e T ans e Le eel
Sum o Absolu e Di e ences.
S a O Block.
Scalable Video Coding.
Va iable Block Size- Adap i e Cos Block Ma ching.
Va iable Block Size Mo ion Es ima ion.
Video Coding Expe s G oup.
Video On Demand.
In oducción
Las écnicas in oluc adas en el p oceso de comp esión de ídeo se encuen an
hme sas en un con inuo p oceso de ans o mación
y
e olución. Es e hecho iene
de e minado po las necesidades de un me cado al amen e dinámico, el cual hco po a
ápidamen e los esul ados ob enidos en los di e en es cen os de h es igación. En
es e sen ido, la es imación de mo imien o, po su ele ancia den o del p oceso de
comp esión híbnVa de lCeo, con inúa cen ando los es ue zos de nume osos
h es igado es, con el obje i o de p opone nue os algo i mos
y
a qui ec u as que
con ibuyan a mejo a sus p es aciones.
1
In oducción
En es e p ime capí ulo se señalan los mo i os que dan o igen a en oca es a Tesis en
el p oceso de es imación de mo imien o, desc ibiéndose asimismo los obje i os a
alcanza y la es uc u a en capí ulos delp esen e abajo.
Ausencia de compo amien o mul ies ánda .
El desa ollo de los es ánda es de
codi icación de ídeo ha enido acompañado del es udio de nue as posibilidades en el
p oceso de es imación de mo imien o. Así, en el ecien e es ánda H.264/AVC exis e
la posibilidad de calcula has a un o al de 41 ec o es de mo imien o con p ecisión
de cua o de píxel pa a un mismo mac obloque (bloque de 16x16 píxeles), mien as
que en el pione o es ánda H.261 [H261] sólo se pe mi e un ec o de mo imien o con
p ecisión de píxel po mac obloque. Si bien las p opues as más ecien es cumplen
o al o pa cialmen e con las ecomendaciones es ablecidas po H.264/AVC,
y
a su ez
és e engloba a sus p edeceso es en lo que a es imación de mo imien o se e ie e,
dichas a qui ec u as son incapaces de adap a su po encia de cómpu o a las
necesidades del es ánda en uso po el codi icado co espondien e.
Es e conjun o de ci cuns ancias, jun o con el con inuo a ance de las pla a o mas de
comp esión de ídeo, de e mina que sea absolu amen e necesa io el diseño de nue as e apas
de es imación de mo imien o mul ies ánda que sopo en las ecomendaciones es ablecidas
po el es ánda H.264/AVC
y
que a la ez, hagan un uso óp imo de un núme o de ecu sos
escaso. Pa a ello, la iple adap ación de la a qui ec u a a las necesidades del usua io, a las
ca ac e ís icas de las secuencias de ídeo a comp imi
y
a los equisi os del es ánda de
codi icación en uso, ep esen a una e icaz es a egia a segui .
1.3
Obje i os de
la
Tesis
La inalidad de es a Tesis Doc o al es p opo ciona soluciones algo í micas
y
a qui ec u ales
pa a e apas de es imación de mo imien o mul ies ánda haciendo un uso in eligen e de los
ecu sos disponibles. Pa a consegui es e p opósi o, la Tesis se cen a en alcanza los
siguien es obje i os:

1
In oducción
Es udio del es ado del a e
y
en especial, de las a qui ec u as p opues as en las que se
implemen e, con algún g ado de adap ación de los ecu sos de cómpu o, el p oceso de
es imación de mo imien o median e ajus e de bloques pa a cualquie a de los
es ánda es de comp esión de ídeo exis en es. En es e pun o, es de especial
impo ancia analiza
y
e alua la es a egia de adap ación u ilizada, an o desde el
pun o de is a algo í mico como desde el pun o de is a pu amen e a qui ec u al.
C eación de un en o no de análisis que pe mi a in es iga en p o undidad el p oceso
de es imación de mo imien o
y
que a la ez, si a como sopo e pa a la elección de la
es a egia de diseño que se apo a á en es a Tesis. Es e en o no se basa á en la
simulación
y
modelado de un es imado de mo imien o gené ico
y
pe mi i á ex ae
los pa áme os esenciales del p oceso sob e los cuales se cons ui án las p opues as
desa olladas en la Tesis.
Apo a
y
e alua un nue o algo i mo que, en unción de los pa áme os mencionados
en el pun o an e io , sea capaz de es ima el mo imien o en e dos imágenes de una
secuencia de ídeo según las necesidades del es ánda de codi icación en uso,
u ilizando e icien emen e los ecu sos disponibles
y
adap ándolos a las exigencias del
usua io
y
a las ca ac e ís icas de la secuencia a comp imi . Pa a e alua la bondad de
es e algo i mo, se u iliza á una pla a o ma de alidación que in eg e la solución
apo ada en codi icado es basados en los es ánda es H.263
y
H.264/AVC, de al
mane a que cumpla con las ca ac e ís icas de es imación de mo imien o pa a
amaños de bloque a iables
y
p ecisión sub-píxel, al
y
como se equie e po ambos
es ánda es. Es a pla a o ma pe mi i á la e aluación de las p es aciones del algo i mo
apo ado pa a di e en es secuencias
y
asas de comp esión. En es e pun o es
impo an e des aca que los esul ados
y
conclusiones que se ob engan pa a el
es ánda H.263, se án absolu amen e ex apolables pa a sis emas basados en MPEG-
4, al se ambos es ánda es idén icos en sus pe iles básicos en cuan o al p oceso de
es imación de mo imien o.
Analiza las di e en es al e na i as pa a el diseño a qui ec u a1 del algo i mo
p opues o, desa ollando en pa alelo un conjun o de écnicas que pe mi an aumen a
las p es aciones de la a qui ec u a, an o pa a la es imación de mo imien o con
p ecisión en e a como pa a la es imación con p ecisión sub-píxel. Es a explo ación
pe mi i á e alua y compa a , en é minos a qui ec u ales, el conjun o de posibles
soluciones.
P opone y e alua una a qui ec u a que, una ez analizadas las di e en es
al e na i as a qui ec u ales, sea capaz de ealiza el p oceso de es imación de
mo imien o en iempo eal pa a o ma os de ídeo de baja y media esolución según
las di ec ices es ablecidas po los es ánda es H.263 y H.264/AVC de acue do al
algo i mo p opues o. Asimismo, y de mane a independien e al algo i mo p opues o,
es ambién obje i o de es a Tesis mejo a las p es aciones a qui ec u ales de los
abajos p e ios más signi ica i os ecopilados en el es ado del a e.
1.4
O ganización de la Tesis
El abajo desa ollado en es a Tesis Doc o al se ha es uc u ado en cinco capí ulos, de los
cuales el p ime o de ellos lo cons i uye el p esen e capí ulo de in oducción. El con enido del
es o de los capí ulos se desc ibe a con inuación.
Capí ulo
2
En es e capí ulo se desc ibe la e olución his ó ica del p oceso de es anda ización
en comp esión de imagen y ídeo, de allándose p e iamen e la es uc u a de un
codi icado híb ido de ídeo gené ico, base sob e la que se asien an los
mencionados es ánda es. Asimismo, se ecogen las no edades más signi ica i as
in oducidas en el p oceso de es imación de mo imien o a lo la go del p oceso de
es anda ización, inalizando el capí ulo con una ecopilación de los abajos que,
an o desde el pun o de is a algo í mico como a qui ec u al, cons i uyen el
es ado del a e en el ámbi o de la es imación de mo imien o
En el capí ulo
3
se desc ibe el en o no de análisis p opues o en es a Tesis con el
obje i o de in e p e a , median e el uso de pa áme os, el p oceso de es imación
de mo imien o en é minos de la unción de cos e de Lag ange. A pa i de los
esul ados ob enidos con dicho en o no, se p esen a el algo i mo de es imación de
mo imien o adap a i a p opues o en es a Tesis, mos ándose los esul ados
ob enidos en é minos de comp esión y cos e compu acional. Po úl imo, se
de allan las a iaciones in oducidas con los obje i os de adap a dicho algo i mo
a es ánda es con es imación de mo imien o de amaño de bloque a iable y
acili a su pos e io implemen ación ha dwa e.
Capí ulo
4
En es e capí ulo se in oduce la a qui ec u a de es imación de mo imien o
p opues a en es a Tesis. En pa icula , se desc iben po sepa ado la a qui ec u a
de es imación de mo imien o con p ecisión en e a y la a qui ec u a de
e inamien o de ec o es de mo imien o a coo denadas de medio y cua o de
1.4
O ganzacón
de
a
Tess
1
píxel, poniendo de ele ancia las apo aciones in oducidas con el obje i o de
mejo a sus p es aciones. Asimismo, se p esen a una compa ación en é minos
a qui ec u ales con abajos p e ios ecien emen e publicados.
Capí ulo
5
Po úl imo, se p esen an en el capí ulo
5
las conclusiones ex aídas a pa i del
abajo desa ollado en es a Tesis así como las líneas de in es igación u u as que
se p e enden con inua .

Es ado del a e de la
codi icación híb ida de
ídeo
El a ance de la hdus ia audio isual ha con e ido la codi icación
y
decodi icación de
hágenes
y
líJeo en un p oceso que, aunque anspa en e pa a el clien e inal, esul a
de uso co idiano pa a millones de usua ios de aplicaciones mul imedia. Pa a llega a
es a si uación ha esul ado absolu amen e necesa io desa olla un conjun o de
es ánda es que no sólo han pe mi ido egula ka dicho p oceso, sino ambién,
mejo a lo en é minos de las asas de comp esión alcanzadas.
En es e capí ulo se e isan las bases sob e las que se asien an los es ánda es de
comp esión de imagen
y
lCeo ac uales. Asimismo, se desc iben las modi icaciones
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
que han ido hco po ando es os es ánda es en elación con el p oceso de es imación
de mo imien o con el obje i o de aumen a las p es aciones de los co& icado es
híb ido5 de ídeo basados en algún ipo de es ánda . Dicho p oceso de op imilación
ha lle ado consigo un aumen o exponencial de la compkjídad de la es imación de
mo imien o po ajus e de bloques, despe ando el in e és de la comunidad cien í ica
po el desa ollo de nue os algo imos
y
a qui ec u as capaces de acele a el p oceso
de cálculo de ec o es de mo imien o. En es e sen ido, se ecogen en es e capí ulo las
apo aciones más s@ni ica i as ealizadas en es a á ea, poniendo de mani ies o
aquellos aspec os aún sin esol e y que cons i uyen el obje o p incipal de es a Tesis.
2.1
Cod cacón híb da de ídeo
2
2.1
Codi icación híb ida de ídeo
La codi icación o comp esión híb ida de ídeo es un campo especí ico den o del
p ocesamien o de señal mul idimensional cuyo obje i o undamen al es ob ene una
ep esen ación compac a de una señal de ídeo digi al cualquie a median e la educción de
las edundancias espaciales y empo ales p esen es en la señal o iginal. Es e p oceso puede
se e e sible (comp esión sin pé didas) o i e e sible (comp esión con pé didas),
ob eniéndose de mane a gene al mayo es ni eles de comp esión, y po lo an o una peo
calidad de imagen, en el segundo caso.
En es e apa ado, se desc iben las écnicas sob e las que se undamen a un codi icado
híb ido de ídeo gené ico, así como las ca ac e ís icas más ele an es de los di e en es
es ánda es que a lo la go de es os úl imos años han sido desa ollados con el obje i o de
no maliza , a la pa que en iquece y mejo a , dicho p oceso de comp esión. En es e sen ido,
se esal a án los concep os eó icos di ec amen e elacionados con los obje i os a consegui
en es a Tesis, pudiéndose ob ene una isión más amplia y de allada ace ca del p oceso de
comp esión de ídeo en las publicaciones [BK97], [Ric02], [Rico31 y [Woo05], en e o as.
2.1.1
Esquema gene al de uncionamien o de un codi icado híb ido de ídeo
El diag ama de bloques de un codi icado híb ido de ídeo gené ico se mues a en la Figu a
2.1, dis inguiéndose undamen almen e es unidades uncionales: unidad de p ep oceso,
unidad de educción de edundancias espaciales y unidad de educción de edundancias
empo ales.
2.1
Cod cacón híb da de ídeo
2
de es a Tesis, se ealiza á pos e io men e una desc ipción de allada, an o desde el
pun o de is a algo í mico, como a qui ec u al.
Compensacidn de mo imien o.
La compensación de mo imien o ob iene de la
memo ia de econs ucción el mac obloque señalado po el ec o calculado po el
es imado de mo imien o. Así, a la salida del compensado de mo imien o se ob iene
un
p edic o ,
cuya es a con el mac obloque ac ual cons i uye el mac obloque
di e encia que se á p ocesado po la unidad de educción de edundancias espaciales.
Finalmen e, cabe señala den o de la es uc u a gené ica de un codi icado híb ido de ídeo
un conjun o de elemen os de con ol enca gados de selecciona el ipo de codi icación pa a
cada mac obloque de la secuencia de ídeo
(INTRA/INTER).
Ob iamen e, odos los
mac obloques del p ime o og ama han de se necesa iamen e codi icados como ipo
INTRA,
decidiendo el codi icado el modo de codi icación a u iliza pa a el es o de
mac obloques.
2.1.2
Es ánda es de comp esión de imagen
y
ídeo
La apa ición de écnicas e icien es de comp esión de da os mul imedia ha de e minado que,
du an e es os úl imos ein e años, se haya ealizado po pa e de g upos de in es igación y
compañías del sec o un exhaus i o es ue zo de no malización, dando luga a un po en e
conjun o de es ánda es de comp esión de imagen y ídeo. Con el obje i o de ca ac e iza y
compa a las p es aciones de cada es ánda , se u ilizan un conjun o de cu as conocidas
como cu as de asa de ansmisión-dis o sión
( a e-dis o ion),
en las que se ep esen a la
calidad de la imagen o secuencia decodi icada en e a la asa de ansmisión u ilizada. Pa a
medi de mane a obje i a la calidad de una imagen decodi icada de
MxN
píxeles, la mé ica

2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
más u ilizada es la elación de pico señal a uido
(Peak Signal o Noise Ra io
-
PSNR)
exp esada en unidades de decibelios,
y
de inida como:
(ec. 2.3)
donde
po
y
p
ep esen an los píxeles de la imagen o iginal
y
decodi icada,
espec i amen e. En secuencias de ídeo, cada uno de los pun os de la mencionada cu a
ep esen a el PSNR medio ob enido conside ando odos los o og amas de la secuencia.
Po úl imo, eco da que cada es ánda sólo de ine la es uc u a del decodi icado , dejando
un holgado g ado de libe ad pa a el diseño del codi icado siemp e
y
cuando las amas
gene adas po és e sean compa ibles con el decodi icado de inido.
2.1.2.1 Es ánda es de comp esión de imagen
Den o de los es ánda es de comp esión de imagen des aca, po su ele ancia, el es ánda
JPEG
(Join Pho og aphic Expe s G oup)
[JPEG], que debe su nomb e al g upo enca gado
de su desa ollo, u o de la unión de los expe os en comp esión de imágenes en colo de las
o ganizaciones ISO
(ln e na ional O ganiza ion o S anda diza ion)
e ITU
(ln e na ional
Telecommunica ion Union).
Dicho es ánda pe mi e comp imi imágenes digi ales de ono
con inuo con unos angos de comp esión ípicos de 10:l has a 50:l ga an izando una calidad
de imagen acep able [PM92].
Con el obje i o de aumen a las p es aciones de es e es ánda , el mismo comi é de expe os
ha desa ollado ecien emen e el es ánda JPEG2000 [JPEG2K] que pe mi e aumen a el
2.1
Cod cacón híb da de ídeo
2
ni el de comp esión en e un 11%
y
un 53% con espec o a su p edeceso [CSEOO] debido
p incipalmen e al uso de ans o madas wa ele en luga de la ans o mada DCT [LLT+01],
[LCT+04], [LCL+05c]
y
codi icado es a i mé icos en la codi icación en ópica del p oceso de
educción de edundancias espaciales [ATL+02], [ALL+03]
2.1.2.2
Es ánda es de comp esión de ídeo
Den o de los es ánda es de comp esión de ídeo, des acan como pione os los es ánda es
H.261 [H261]
y
MPEG-1 [MPEGI] desa ollados po el G upo de Expe os en Codi icación de
Vídeo
(
Kdeo Coding Expe s G oup
-
VCEG) de la ITU (ln e na ional Telecommunica ion
Union)
y
po el g upo de expe os en ídeo
y
audio digi al MPEG (Mo ing Pic u es Expe
G oup) de la o ganización ISO (ln e na ional O ganka ion o S anda dka ion),
espec i amen e. Aunque coe áneos, el obje i o de cada uno de es os es ánda es es bien
dis in o, pues o que mien as que H.261 ue ideado pa a aplicaciones de ideo ele onía, el
obje i o undamen al de MPEG-1 es el almacenamien o e icien e de ídeo digi al,
ípicamen e en o ma o CD-ROM. De es a mane a, H.261 alcanza sus máximas p es aciones
pa a anchos de banda múl iplos en e os de 64 Kbps, mien as que MPEG-1 lo hace pa a asas
de ansmisión de 1.5 Mb~s.
Debido al emendo éxi o de ambos es ánda es, los pos e io es abajos de es anda ización
die on luga al nacimien o del es ánda MPEG-2 (Recomendación H.262 de la ITU)
[MPEG2]. El p incipal obje i o de es e es ánda es la codi icación
y
ansmisión e icien e de
imágenes de ele isión pa a asas de ansmisión po debajo de 10 Mbps, espe ando la
compa ibilidad con los es ánda es H.261
y
MPEG-1,
y
pe mi iendo como o ma o de en ada
no sólo ídeo p og esi o, sino ambién ídeo en elazado. Pa a log a es e obje i o, MPEG-2
conse a las écnicas de comp esión que esul a on se más e icaces den o del es ánda
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
MPEG-1, des acando en e ellas la p edicción bidi eccional y la es imación de mo imien o
con p ecisión de medio píxel, además de in oduci nue os modos de p edicción especí icos
pa a el o ma o en elazado.
El es ánda MPEG-4 [MPEG4] su ge con el doble obje i o de aumen a las p es aciones de
comp esión alcanzadas po los es ánda es an e io es pa a asas de ansmisión bajas, además
de p opo ciona in e ac i idad con el usua io. Pa a log a lo, dicho es ánda con empla el uso
de écnicas a anzadas de comp esión además de di idi la secuencia en
obje os audio isuales,
pe mi iendo de es a mane a el acceso y manipulación de su con enido. El es ánda de ine un
obje o audio isual como cualquie ep esen ación de un obje o, na u al o sin é ico, isual y/o
sono o, como po ejemplo audio na u al o sin é ico, ex u as y o mas de obje os p esen es en
un o og ama, obje os sin é icos en dos y es dimensiones o ep esen aciones sin é icas de
ca as y cue pos humanos, en e o os. Además, en el es ánda MPEG-4 se p es a especial
a ención a la ansmisión e icien e del ídeo comp imido, do ándose de es a egias de
p o ección an e e o es y di e sos g ados de escalabilidad [PE02].
De mane a pa alela al desa ollo del es ánda MPEG-4, el g upo VCEG de la ITU comenzó el
desa ollo del es ánda H.263 [H263]. La inalidad de es e es ánda no es o a que, a pa i de
la es uc u a básica del es ánda H.261, mejo a las p es aciones de comp esión pa a asas de
ansmisión muy bajas, ípicamen e po debajo de 64 Kbps (nó ese que el es ánda H.261
es aba inicialmen e concebido pa a la ansmisión de ídeo en edes de conmu ación de
ci cui os con un ancho de banda de px64 Kbps, siendo
p
un núme o en e o en e 1 y 30).
Pa a consegui es e obje i o el es ánda de ine un núcleo básico de comp esión simila al
especi icado en el es ánda H.261 y un conjun o de 18 modos a anzados de comp esión
opcionales en o ma de anexos al es ánda . En pa icula , la ecomendación H.263 se
compone del mencionado núcleo básico y cua o de es os modos de codi icación opcionales
(anexos D, E,
F
y G), incluyéndose el es o de anexos en las ecomendaciones conocidas como
2.1
Cod cacón híb da de ídeo
2
H.263+ [H263+] y H.263+
+
[H263+ +] a azón de doce (anexos
I
a T) y dos (anexos U y V)
modos opcionales, espec i amen e.
La con inua apa ición, un an o deso denada, de di e en es es ánda es de comp esión de
ídeo in en ando mejo a las p es aciones de sus an eceso es, así como la excesi a
especialización de és os pa a un conjun o especí ico de aplicaciones, lle ó al g upo VCEG al
comienzo del desa ollo de un nue o es ánda que p esen a a p es aciones de comp esión
supe io es al es o pa a odo ipo de aplicaciones, denominándose dicho es ánda H.26L (la
le a 'L' esponde a la iloso ía de abajo del g upo de VCEG en su in en o de c ea un
es ánda de la ga du ación, long- e m s anda d). Una ez comenzado el desa ollo del
es ánda , la ISO, a a és de su g upo MPEG, ealizó en el año 2001 una llamada abie a a la
comunidad cien í ica in e nacional en búsqueda de nue as soluciones den o del campo de la
codi icación de ídeo a anzada (Ad anced Kdeo Coding
-
AVC) El obje i o de dicho
p oceso e a encon a nue as soluciones que pe mi ie an mejo a las p es aciones del
es ánda MPEG-4 que, aunque p ome edo , no había causado un impac o en el me cado
simila al de MPEG-2. En e las p opues as ecibidas se encon aban los p ime os abajos
ealizados po el VCEG den o del ma co del es ánda H.26L, esul ando se la p opues a más
inno ado a a juicio de los expe os del g upo MPEG. Es e hecho p o ocó que ambas
o ganizaciones se undie an en un nue o g upo de abajo conjun o (Join Kdeo Team
-
JVT) con el obje i o de c ea 'una solución única pa a la p óxima gene ación de es ánda es
de codi icación de ídeo': Los es ue zos del g upo de abajo JVT, die on luga al desa ollo
de un nue o es ánda denominado H.264/AVC [H264], ambién conocido como JVT, H.26L
o MPEG-4 pa
10,
que se encuen a hoy en día en con inua ampliación y desa ollo y que, sin
duda alguna, ep esen a el es ado dela een el campo de la codi icación híb ida de ídeo. En
es e sen ido, el nue o es ánda consigue educi , po é mino medio, las asas de ansmisión
eque idas po un codi icado MPEG-2 en un 50%, y en un 35
%
las co espondien es a
codi icado es basados en los es ánda es H.263 o MPEG-4 [KA03], [OBL+04]. Es e hecho se
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
puede comp oba en la Figu a 2.5, en la que se mues a la e olución de la asa de ansmisión
media conseguida po los es ánda es mencionados du an e los úl imos diez años pa a
secuencias de 720x480 píxeles.
Figu a
2.5:
E olución
de
la
asa
de
ansmisión
eque ida
po
los
es ánda es
MPEG-2,
MPEG-4,
H263
y
H264lAVC
pa a
codi ica
una
secuencia
de
ídeo
de
720x480
oíxeles.
Asimismo, y a modo de esumen del p oceso de es anda ización, se mues a en la Figu a 2.6
la e olución his ó ica de cada uno de los es ánda es mencionados en es e apa ado. En es a
igu a no se incluyen los es ánda es MPEG-7 [MPEG7] y MPEG-21 [MPEG21] debido a que
su obje i o no es la comp esión de ídeo. En pa icula , el es ánda MPEG-7 ep esen a una
in e az de desc ipción de con enidos mul imedia diseñada pa a acili a el acceso,
ecupe ación, il ado y manejo de da os mul imedia. Pa a ello, es e es ánda se basa en la
ealización de bases de da os de in o mación mul imedia basadas en con enidos, las cuales
pe mi en ealiza búsquedas indexadas de imágenes y ídeo u ilizando ca ac e ís icas como su
colo , ex u a, in o mación de su o ma y/o con o no de los obje os. En cuan o al es ánda
MPEG-21, su inalidad es pe mi i el uso anspa en e de ecu sos mul imedia y aumen a su

2.1
Cod cacón híb da de ídeo
2
acceso a a és de un amplio ango de edes y disposi i os, p opo cionando in e ope abilidad
en e dis in os es ánda es. Así, el ámbi o de MPEG-21 cub e unciones como c eación,
p oducción, consumo y uso de los con enidos; iden i icación, desc ipción y ep esen ación de
los con enidos, o p o ección y ges ión de la p opiedad in elec ual, en e o as.
Es ánda es
ITU
(H.26~)
s ánda es
ISO
(MPEG)
1
Figu a
2.6:
E olución
his ó ica
del
p oceso
de
es anda i ación
de
comp esión
de
ídeo.
De igual mane a, ampoco se ha incluido en la Figu a 2.6 la ex ensión del es ánda
H.264/AVC conocida como SVC
(Scalable Kdeo Coding),
po es a en el momen o de la
esc i u a de es a Tesis en ase de desa ollo [SVC]. La idea que pe sigue dicha ex ensión del
es ánda es pode codi ica una secuencia de ídeo a la mayo esolución espacio- empo al
posible, pe o pe mi iendo a los decodi icado es ealiza un p oceso de decodi icación
escalonado, ob eniendo así una secuencia decodi icada con unas ca ac e ís icas espaciales y
empo ales aco des con la aplicación en uso y con las ca ac e ís icas del decodi icado .
Aunque es a posibilidad ya se había incluido de alguna mane a en los es ánda es MPEG-2 y
MPEG-4, la ex ensión SVC busca mejo a es e p oceso median e la in oducción de nue as
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
écnicas y algo i mos de comp esión op imizados pa a ídeo escalable
[SMS+05], [SSM+05],
[PKJ+06].
2.1.2.3
No edades en la e apa de es imación de mo imien o du an e el p oceso de
es anda ización
El desa ollo de los di e en es es ánda es mencionados en el apa ado an e io ha lle ado
consigo la modi icación y c eación de nue os algo i mos con el obje i o de lle a a cabo cada
uno de los p ocesos p opios del codi icado híb ido de ideo de mane a más e icien e, y como
consecuencia, mejo a las p es aciones de és e. En es e sen ido, el hecho de que la e apa de
es imación de mo imien o sea la más in luyen e en cuan o a las a iaciones de las
p es aciones de comp esión alcanzadas po un codi icado híb ido de ídeo, ha de e minado
que los equisi os de dicha e apa sean cada ez más exigen es, pa icula men e a pa i de la
a~a ición del es ánda
H.264/AVC.
2.1.2.3.1
Meio as en los es ánda es an e io es
a
H.264/AVC
Tomando como pun o de e e encia el es ánda
H.261,
las dos p ime as a ian es a
conside a son la in oducción de ec o es de mo imien o con p ecisión de medio píxel y los
o og amas bidi eccionales po pa e del es ánda
MPEG-1
Los ec o es con p ecisidn de medio plxel se ob ienen ípicamen e median e un p oceso de
búsqueda en dos pasos. En el p ime o de ellos se ob iene un ec o de mo imien o con
p ecisión de píxel (p ecisión en e a) según el p ocedimien o desc i o en el apa ado
2.1.1.3.
Una ez que se ha ob enido un ec o con p ecisión en e a, se ealiza un e inamien o
al ededo de las ocho posiciones si uadas a una dis ancia de medio píxel de és a, al y como se
mues a en la Figu a
2.7,
en la que se señalan únicamen e las mues as de medio píxel que le
2.1
Cod cacón híb da de ideo
2
co esponden al píxel si uado en la esquina supe io izquie da del mac obloque seleccionado
po la búsqueda de p ecisión en e a.
[
Pixei
Medio
pixel
Di ección de e inamien o
]
Figu a
2.7:
P oceso
de
e inamien o
de
medio
píxel
a
pa i
de
las
coo denadas
del
ec o
de
mo imien o
con
p ecisión
en e a.
Las mues as de medio píxel necesa ias pa a ealiza el e inamien o, se calculan median e
in e polación bilineal, al
y
como indica la Figu a
2.8
Figu a
2.8:
Cálculo
de
mues as
de
medio
píxel
median e
in e polación bilineal.
Los o og amas bidi eccionales ( ipo B) son codi icados usando la p edicción de mo imien o
de dos o og amas, un o og ama
pasadoy
o o
u u o,
pudiendo se ambos ipo
INTRA
( ipo
1) o
INTER
( ipo P). Es os o og amas no se u ilizan en la p edicción de o os o og amas
ipo B o P
y
po lo an o, pueden ene más dis o sión
y
o ece un ac o de comp esión más
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
al o que los o og amas
I
o P. Pa a codi ica o decodi ica una imagen ipo
B,
el codi icado y
el decodi icado necesi a án la imagen
I
o P que la p ecede y la imagen P o
I
que la sigue. El
o den de las imágenes se á po an o modi icado an es de la codi icación, de o ma que el
codi icado y el decodi icado dispongan, an es que las imágenes
B,
de las imágenes
I
y/o P
necesa ias pa a su p ocesamien o.
Es as a iaciones han esul ado se muy bene iciosas en é minos de comp esión y po ello
han sido inco po adas de mane a na u al en odos los es ánda es pos e io es. En cuan o al
p oceso de es imación de mo imien o, las no edades más impo an es po su impac o en los
ni eles de comp esión alcanzados, apa e de las ya mencionadas, se localizan en los siguien es
anexos del es ánda
H.263:
Modo de ec o es de mo imien o no es ingidos (Un es ic ed Mo ion Vec o Mode,
Anexo D). Es e modo opcional pe mi e que los ec o es de mo imien o apun en ue a
de un o og ama pa a mac obloques si uados en los bo desdel o og ama ac ual. Es e
hecho ocu i á cuando pa e del á ea de búsqueda quede ue a del o og ama
p e iamen e codi icado omado como e e encia, in e polando el es imado de
mo imien o los píxeles necesa ios has a comple a el á ea de búsqueda.
Modo de p ediccidn a anzada (Ad anced P edic ion Mode, Anexo
F).
Es e modo
opcional conside a la posibilidad de que en un mac obloque hayan di e en es obje os
mo iéndose en di e en es sen idos y elocidades. Debido a es a azón, se pe mi e la
posibilidad de que exis an cua o ec o es de mo imien o pa a un mismo
mac obloque (un ec o de mo imien o po cada bloque de
8x8
píxeles de
luminancia). De es a mane a, el codi icado calcula, además de un ec o de
mo imien o pa a cada mac obloque según el p ocedimien o desc i o an e io men e,
cua o ec o es más pa a cada uno de los bloques de
8x8
píxeles con el consiguien e
inc emen o del cos e compu acional del p oceso de es imación de mo imien o. En
2.2
Técncas
de
op mzacón
lag angana
en
cod cado es híb dos de ideo
2
donde
D(S,,I)
y
R(S,,I)
ep esen an, espec i amen e, la dis o sión o al
y
el núme o de bi s
esul an es de codi ica las Kmues as del ec o
S,
seleccionando pa a ello las opciones de
codi icación
1.
Una solución elegan e a es e p oblema se ob iene median e el desacoplamien o de la ecuación
2.7,
lo que conduce a encon a un conjun o de opciones de codi icación
/
de mane a que:
(ec.
2.8)
donde
A
es una cons an e posi i a denominada cons an e
o
mul iplicado de Lag ange
y
la
unción
J(S,//A)
a minimiza ecibe el nomb e de unción de cos e de Lag ange. La solución
/
que minimiza la unción de cos e es óp ima en el sen ido de que, si la cons an e
R,
se
co esponde con el alo del mul iplicado de Lag ange seleccionado, dicha solución ga an iza
mínima dis o sión.
Asumiendo que la dis o sión
y
el núme o de bi s son can idades adi i as,
y
suponiendo que el
alo de dichas can idades depende única
y
exclusi amen e de las opciones seleccionadas pa a
codi ica una mues a
S,
especí ica, la ecuación
2.8
se puede e o mula de la siguien e
mane a:

2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
De es e modo, el p oblema desc i o a a és de la ecuación
2.7
puede se esuel o de mane a
sencilla, seleccionando las opciones de codi icación pa a cada una de las mues as
S,
de
mane a o almen e independien e.
2.2.2
Aplicación de las écnicas de op imización lag angiana a codi icado es
híb idos de ídeo
La implemen ación de las écnicas de op imización an e io men e desc i as en codi icado es
híb idos de ídeo no es una a ea i ial, debido undamen almen e a la mul i ud de opciones
exis en es pa a codi ica cada uno de los o og amas de la secuencia y al impac o que ienen
las decisiones que se omen en el es o del p oceso de codi icación de la secuencia de ídeo.
Es as decisiones e san sob e aspec os an c í icos en un codi icado de ídeo como la di isión
del o og ama en conjun os de píxeles con di e en es opologías; la posibilidad de codi ica
cada uno de es os conjun os haciendo e e encia a o os en el mismo o en un o og ama
di e en e, o decidi cuál es el conjun o de píxeles óp imo pa a hace e e encia a los píxeles de
cada o og ama, en e o os.
Como puede deduci se, el conjun o de posibilidades a explo a es amplísimo y po lo an o,
imposible de e alua ielmen e en iempo eal pa a una secuencia cualquie a en los sis emas
de comp esión de ídeo con encionales. Es e hecho ha de e minado que en los codi icado es
híb idos de ídeo basados en alguno de los es ánda es conocidos, el espacio de explo ación se
haya aco ado con el obje i o de e alua , median e unciones de cos e independien es, sólo
aquellas opciones de codi icación que mayo impac o p esen en en las p es aciones de
comp esión. De es a mane a, las opciones a e alua esul an se las elacionadas con la
selección del
modo de codi icación
y del
conjun o de ec o es de mo imien o
óp imo pa a
cada mac obloque
[WSJ+03], [KKA05].
2.2
Técncas
de
op mzacón
lag angana
en
cod cado es híb dos de ídeo
2
En pa icula , pa a el p oceso de es imación de mo imien o la unción de cos e
J,,,,,
a
minimiza pa a cada mac obloque Skes la siguien e:
(ec. 2.10)
donde m , ep esen a el conjun o de ec o es de mo imien o posibles pa a el mac obloque
S,
Rm,,,,(Sk,m k) es el núme o de bi s necesa ios pa a codi ica dichos ec o es de mo imien o,
y
SAD (Sk,m k) ep esen a el SAD ob enido pa a los ec o es de mo imien o bajo análisis.
En los es ánda es de codi icación de ídeo, la codi icación de los ec o es de mo imien o se
ealiza de o ma di e encial con el obje i o de minimiza el núme o de bi s
R,,,,,
necesa ios
pa a su ansmisión. En el caso pa icula de los es ánda es H.263
y
H.264/AVC, se codi ica
la di e encia en e el ec o de mo imien o calculado
y
un ec o de mo imien o p edicho.
Dicha p edicción se ob iene, sal o pa a los mac obloques si uados en los ex emos de un
o og ama, a pa i de los ec o es de los mac obloques ecinos
M&, Mí?,
y
Mí?,,,,,
señalados en la Figu a 2.11
-
Figu a
2.
I I
:
Mac obloques ecinos u ilizados
en
la
p edicción
del
ec o
de
mo imien o.
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
Sal o pa a algunos casos pa icula es con emplados po ambos es ánda es ( éase [H263, pp.
44-45] y [H264, pp. 129-1301), la p edicción pa a el ec o de mo imien o del mac obloque
que se es á p ocesando se calcula como la mediana de los es ec o es ecinos an e io men e
señalados. De es a mane a, si los ec o es de mo imien o ob enidos pa a mac obloques
ecinos son muy di e en es, el é mino
Rm0,,
aumen a á d ás icamen e su alo ,
de e minándose que el campo de ec o es de mo imien o ob enido es incohe en e.
Con espec o a la de e minación del alo de la cons an e Amo ,,, se han ealizado un g an
núme o de expe imen os con un conjun o de secuencias de en ada al amen e he e ogéneo
que han sido publicados en [WGOI] y [WSJ+03]. A pa i de los esul ados ob enidos, los
au o es p oponen como alo es óp imos del mul iplicado de Lag ange Amo , pa a su
aplicación en codi icado es basados en los es ánda es H.263 y H.264/AVC, los siguien es:
(ec. 2.11)
Po úl imo, es impo an e des aca que pa a es ánda es que pe mi en es imación de
mo imien o con amaño de bloque a iable, es e p oceso de minimización es doble, en el
sen ido de que no sólo se pe sigue encon a pa a cada modo de es imación de mo imien o
cuáles son los ec o es óp imos, sino ambién cuál de odos los modos posibles es el mejo
pa a el mac obloque bajo análisis. El conjun o de ec o es de mo imien o que p esen e una
JmO ,,mínima se á el conside ado pa a la p edicción del mac obloque bajo p oceso, siemp e y
cuando el modo de codi icación elegido po el codi icado pa a el ci ado mac obloque sea
/N
TER
2.3
Es ado de a e
en
es macón de mo men o
2
2.3
Es ado del a e en es imación de mo imien o
La es imación de mo imien o cons i uye, sin luga a dudas, la e apa den o del p oceso de
codi icación híb ida de ídeo sob e la que se ha ealizado un mayo núme o de abajos de
in es igación du an e los úl imos ein e años. Es os abajos han cen ado sus es ue zos en
dos aspec os:
Ob ene nue os algo i mos de es imación de mo imien o de bajo cos e
compu acional que pe mi an ob ene unas p es aciones de comp esión simila es a las
o ecidas po el algo i mo de búsqueda exhaus i a. De mane a gené ica, es os
algo i mos eciben el nomb e de
algo i mos ápidos de es imación de mo imien o.
Desa olla a qui ec u as e icien es de es imación de mo imien o pa a su pos e io
implemen ación en sis emas de comp esión de ídeo en iempo eal.
En es e apa ado se esumen los abajos más signi ica i os en es as dos á eas, poniendo de
mani ies o las limi aciones encon adas en cada caso y que se án pos e io men e abo dadas
en es a Tesis.
2.3.1
Algo i mos ápidos de es imación de mo imien o
El ingen e núme o de publicaciones exis en e en es e campo hace del odo in iable ealiza ,
en el ámbi o de es a Tesis, una ecopilación exhaus i a de las p opues as ealizadas du an e
las dos úl imas décadas pa a la ealización de la es imación de mo imien o en codi icado es
híb idos de ídeo. En es e sen ido, se pueden encon a ecopilaciones de los algo i mos más
signi ica i os, en e o os, en los abajos [FGWSG], [CH97], [KuhSS, pp.17-601, [DHOO],
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
[ACB03], [L004], [HCT+O6] y [HuiOG], jun o con una compa ación de sus ca ac e ís icas en
é minos de calidad de imagen econs uida y cos e compu acional asociado. De mane a
gené ica, los algo i mos ápidos ecogidos en es as publicaciones se pueden clasi ica en:
Algo i mos basados en la educción del núme o de posiciones a e alua .
Es os
algo i mos e alúan un subconjun o de candida os den o del á ea de búsqueda,
seleccionado de mane a dinámica las posiciones a e alua a pa i de los esul ados
pa ciales ob enidos. Pa a ello, se basan en la idea de que el SAD es una unción
monó ona c ecien e, en el sen ido de que su alo siemp e aumen a a medida que la
posición e aluada se aleja de la posición de mínimo SAD. Es e hecho de e mina que
es os algo i mos puedan queda ácilmen e
a apados
en mínimos locales de la
unción SAD, p opo cionando una pob e es imación de mo imien o. Es de des aca
que la mayo pa e de los algo i mos ápidos de es imación de mo imien o se
encuen an den o de es e g upo.
Algo i mos basados en la e aluación de me icas simpli icadas.
En es e caso, se
e alúan odas las posiciones del á ea de búsqueda haciendo uso de una mé ica
compu acionalmen e más sencilla que el SAD pa a de e mina la posición ganado a, y
po lo an o, el ec o de mo imien o. Pa a ello, g an pa e de los algo i mos den o
de es e g upo p oponen e alua el SAD de cada posición sólo pa a un subconjun o de
píxeles den o del mac obloque [LZ93], [CS96], [WWKOO] o bien, educi el núme o
de bi s asociado a cada píxel median e uncamien o [LCL+02].
Algo i mos je á quicos.
Es os algo i mos se basan en ealiza es imaciones de
mo imien o a di e en es ni eles de esolución de imagen, desplazándose desde el ni el
más bajo al más al o. De es a mane a, se ob iene un p ime ec o de mo imien o a
pa i del ni el más bajo, en el cual los bloques de píxeles son de dimensiones
educidas y po lo an o, se puede es ablece un á ea de búsqueda amplia. A pa i de

2.3
Es ado de a e
en
es macón de mo men o
2
es a p ime a es imación, se p ocede el e inamien o en los sucesi os ni eles en los que,
al se los bloques de píxeles mayo es, el á ea de búsqueda se a educiendo
p opo cionalmen e al amaño del bloque. No malmen e, es os algo i mos suelen
conside a en e dos y es ni eles deje a quía [NKP+95], [LLS+01], [LL04].
Algo i mos p edic i os.
Los algo i mos p edic i os se basan en la cohe encia del
campo de ec o es de mo imien o de una secuencia de ídeo y po lo an o, en la idea
de que los ec o es de mo imien o de los mac obloques si uados en una ecindad
espacio- empo al deben se simila es. En es e sen ido, es e ipo de algo i mos e alúan
sólo aquellas posiciones apun adas po un conjun o de ec o es cuidadosamen e
seleccionado de en e los calculados en el o og ama an e io y en los mac obloques
p ocesados del o og ama ac ual [HBH+93], [CFP02], [TAL02]. Los algo i mos
p edic i os han ecibido una especial a ención en es os úl imos años debido a que,
pa a di e en es es ánda es de comp esión de ídeo, p esen an mejo es p es aciones
que la mayo pa e de los algo i mos ápidos clasi icados en o os g upos de los
an e io men e mencionados [CFP02], [HCT+O6]. En pa icula , el algo i mo
p edic i o publicado en [CFP02] denominado algo i mo PBM (P edic i e Block
Ma ching) ha demos ado se al amen e e icien e en codi icado es de ídeo basados
en el es ánda H.263, y po lo an o, cons i uye una impo an e e e encia en el ma co
de es a Tesis Doc o al.
El algo i mo PBM ealiza la es imación de mo imien o en dos e apas. En la p ime a
de ellas se e alúan las posiciones apun adas po los cua o ec o es de mo imien o
co espondien es a los mac obloques señalados en la Figu a 2.12 como
MBm ,,,,
MB,,, ,T~,,
MB,e i,Ty
Mí?,,.
además de la posición apun ada po el ec o (0,O).
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
Figu a
2.12:
Vecindad
espacio- empo al
de
ec o es
de
mo imien o
u ilizados
po
el algo i mo
PBM
en
la
p ime a
e apa
de
es imación
de
mo imien o.
A
pa i de la posición apun ada po el mejo de los cinco ec o es e aluados, se
p ocede a una segunda ase de e inamien o en la que se e alúan las ocho posiciones
al ededo del ec o ob enido en la p ime a e apa que se mues an en la Figu a
2.13,
ob eniéndose inalmen e un ec o de mo imien o con p ecisión de medio píxel.
I I
.
.
m..
.l.. .
;
. . .l..
1 1
.m.
I I
I I
PDIiciDn npin adn
pa
la
pim a c ap
Pmi iDn de e inamien o
J
Figu a
2.13:
Posiciones
de
e inamien o
e aluadas
en
la
segunda
e apa
del algo i mo
PBM.
2.3
Es ado de a e
en
es macón de mo men o
2
De o ma gene al, la p incipal des en aja de los algo i mos ápidos de es imación de
mo imien o exis en es adica en que, di ec a o indi ec amen e, ealizan un conjun o de
suposiciones ace ca de la secuencia de ídeo a codi ica con el obje i o de educi el cos e
compu acional del p oceso de es imación de mo imien o. No obs an e, es as hipó esis de
pa ida conlle an que las p es aciones de comp esión alcanzadas po los algo i mos ápidos
de es imación de mo imien o, indis in amen e del g upo al que pe enezcan, sean
ex emadamen e dependien es de la na u aleza de la secuencia de ídeo a codi ica . En es e
sen ido, los algo i mos ápidos de es imación de mo imien o pueden p esen a una se ia
deg adación de sus p es aciones en aquellas secuencias de ídeo con ca ac e ís icas di e en es
de las suwes as.
Es e hecho ha mo i ado la búsqueda de nue as soluciones pa a la ealización del p oceso de
es imación de mo imien o con un cos e compu acional educido, pe o man eniendo a la
misma ez asas de comp esión al as pa a cualquie ipo de secuencia de ídeo. Es a es la
inalidad de los denominados
algo i mos de es imacidn de mo imien o adap a i os,
en los
cuales el cos e compu acional del p oceso de es imación de mo imien o a ía de acue do a las
ca ac e ís icas de la secuencia de ídeo a comp imi . Sin emba go, a pesa de que se han
publicado nume osos abajos en es e campo, los algo i mos p opues os has a la echa
p esen an, al menos, alguna de las siguien es limi aciones:
El mecanismo de adap acidn es exclusi o pa a amaño de mac obloque.
A pesa de
que, desde la apa ición de los es ánda es H.263 y MPEG-4, y muy especialmen e a
pa i del ad enimien o del es ánda H.264/AVC, se ealiza una apues a cla a po
inco po a di e en es amaños de bloque en el p oceso de es imación de mo imien o,
una g an pa e de los algo i mos de es imación de mo imien o adap a i os ealizan el
cálculo de un solo ec o de mo imien o po mac obloque [CP96], [FLM+98],
[MKCOO], [ANSOI], [BJVOI], [LCOI], [TLWOI], [MM02], [CTY+02], [Hos03],
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
[MKD03], [YL03], [CHW04], [JLB+04], [CD05], [HCW05], [LJ1+05], [NM05],
[AZL+O6]. Es e hecho de e mina que, en p incipio, esul e obliga o io epe i el
p ocedimien o jado po es os algo i mos 5 y 41 eces pa a los es ánda es
H.263/MPEG-4 y H.264/AVC espec i amen e, po lo que la educción en el cos e
compu acional o al es insigni ican e. Es de des aca que, en el caso de los algo i mos
adap a i os basados en la modi icación de pa áme os asociados al p oceso de
búsqueda exhaus i a, los cuales se de ini án a con inuación, es e bucle epe i i o no
es necesa io, al pode se eap o echa los esul ados pa ciales ob enidos con los
bloques de píxeles de meno amaño [LTV+05a].
lne icien e adap acidn median e ajus e dinámico del amaño del á ea de búsqueda del
algo i mo de búsqueda exhaus i a. Un g an núme o de los algo i mos adap a i os
publicados ecien emen e se basan en la sencilla es a egia de educi el á ea de
búsqueda en aquellos mac obloques en los que, de algún modo, se de e mine que sólo
es necesa io e alua un pequeño núme o de posiciones al ededo del ec o ce o
[FLM+95], [OL98], [PB98], [MS99], [OLOO], [SM02], [SF04], [CCC05], [ZG05a].
Es os algo i mos son muy e icien es en el p ocesamien o, an o de mac obloques sin
mo imien o (á eas de búsqueda muy educidas) como de mac obloques con una g an
can idad de mo imien o (á eas de búsqueda amplias). Sin emba go, en aquellos
mac obloques con un g ado de mo imien o
medio,
el algo i mo de búsqueda
exhaus i a equie e, po é mino medio, de un á ea de búsqueda de 24x24 píxeles
pa a ob ene unos esul ados acep ables [SF04], lo cual supone la e aluación de 81
posiciones pa a ob ene un ec o de p ecisión en e a. Pa a la inmensa mayo ía de
es os mac obloques, muchos de los algo i mos ápidos de es imación de mo imien o
son capaces de ob ene un ec o de mo imien o de igual calidad ealizando un
núme o de ope aciones conside ablemen e meno . Además, algunos de es os
algo i mos p oponen eajus a el á ea de búsqueda po o og ama en luga de po
mac obloque, lo que conlle a una pé dida ap eciable en la calidad de la imagen
2.3
Es ado de a e
en
es macón de mo men o
2
cuen a el impac o de inhabili a un elemen o de p oceso que es á calculando
el SAD asociado a una posición de 4x4 píxeles, sob e los modos supe io es.
De e mina si los bene icios ob enidos en é minos de ciclos inac i os son
simila es pa a el caso de a qui ec u as con es imación de mo imien o
mul imodo, pa icula men e pa a a qui ec u as compa ibles con el es ánda
H.264/AVC.
Es ablece , en é minos de á ea ocupada, el cos e ha dwa e esul an e de
inco po a mecanismos de eliminación emp ana de candida os en
a qui ec u as de es imación de mo imien o mul imodo. En es e pun o, es
impo an e señala que en ninguna de las a qui ec u as e e enciadas con
eliminación emp ana, los au o es o ecen da os obje i os ace ca de es e
aspec o.
3.
Inexis encia de c i e ios en la ag upación de elemen os de p oceso. La inmensa
mayo ía de las a qui ec u as bidimensionales dedicadas el cálculo de ec o es de
mo imien o median e búsqueda exhaus i a pa a el es ánda H.264/AVC es án
compues as po un ma iz de 16x16 elemen os de p oceso y un á bol de sumas. Es os
elemen os de p oceso uncionan como un solo g upo, de mane a que la a qui ec u a
es
o almen eag upada.
Las en ajas de es a ag upación de elemen os de p oceso son
e iden es, al acili a se eno memen e la composición de los ec o es de los modos
supe io es a pa i de la ob ención en pa alelo de los SADs de cada uno de los bloques
de 4x4 píxeles p esen es en un mac obloque, sin necesidad de inco po a egis os
in e medios [HWH+03], [DGH+05], [KHC05], [WG05a]. En el caso de las
a qui ec u as unidimensionales, ípicamen e cons i uidas po un núme o de elemen os
de p oceso meno , no exis e un c i e io cla o a la ho a de es ablece g upos en e los
elemen os de p oceso. Po lo an o, esul a necesa io es udia las di e en es

2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
posibilidades de ag upación de elemen os de p oceso, así como su impac o en las
p es aciones de la a qui ec u a.
2.3.2.2 A qui ec u as de es imación de mo imien o con p ecisión sub-píxel
A pesa de la impo ancia que posee el e inamien o de ec o es a coo denadas sub-píxel en el
es ánda H.264/AVC, el núme o de publicaciones en es a á ea es muy educido. De hecho,
los abajos más signi ica i os se han cen ado en los siguien es aspec os:
A qui ec u as de e inamien o de ec o es a coo denadas de medio píxel pa a
es ánda es an e io es a H.264/AVC [GSJ +02], [SB03], [CCC04], [WYZ+04],
[DRS05]. Ob iamen e, los equisi os de p ocesamien o en dichas a qui ec u as son
mucho menos exigen es, debido a que el núme o de modos de es imación de
mo imien o es meno (en es as a qui ec u as sólo se con emplan amaños de bloque
de 16x16 y 8x8 píxeles) y sólo hay que ealiza el e inamien o has a coo denadas de
medio píxel. Además, el mé odo de in e polación bilineal implemen ado pa a gene a
las mues as de medio píxel es más sencillo que el il ado p opues o po H.264/AVC.
A pa i del análisis de es as a qui ec u as se obse a que odas ellas son
a qui ec u as no ag upadas, en las que cada elemen o de p oceso e alúa una posición
de e inamien o.
Op imización del p oceso de in e polación de mues as de medio y cua o de píxel
pa a decodi icado es basados en el es ánda H.264/AVC [LWW05], [SLG+05],
[SN05], [HKL+06], sin necesidad de ealiza el p oceso de e inamien o p opiamen e
dicho.
2.3
Es ado de a e
en
es macón de mo men o
2
Pa a el caso pa icula del es ánda H.264/AVC, sólo se han encon ado dos a qui ec u as
capaces de ealiza dicho p oceso de e inamien o según las di ec ices de dicho es ánda .
Dichos abajos han sido publicados en [CHC04b]
y
[RB05], siendo ele an e únicamen e el
p ime o de ellos. En es e abajo, ealizado po Chen, Huang
y
Chen
y
publicado en
[CHC04b], se p esen a una a qui ec u a de e inamien o sub-píxel de ec o es de mo imien o
como pa e de un chip codi icado en el que pa icipan los au o es [CCH+O6b]. Se a a de
una a qui ec u a o mada po 36 elemen os de p oceso en la que se ha incluido la lógica
.
D D
necesa ia pa a selecciona , según el c i e io lag angiano ecomendado po el es ánda
N
6
.-
L
m
c
H.264/AVC, el mejo modo de es imación de mo imien o al e mina el e inamien o de
L"
>
.-
c
3
cua o de píxel pa a cada uno de los mac obloques de la secuencia de ídeo bajo análisis. Los
m
a
-
.-
-
au o es p esen an, jun o con la a qui ec u a, un algo i mo denominado AMPD (Ad anced
e
m
o
C1
Mode P e-Decision) el cual, sob e la base de los esul ados ob enidos du an e la búsqueda
5
3
L
0
*
con p ecisión en e a, elige sólo es de los sie e posibles modos de es imación de mo imien o
m
n
N
.-
-
m
pa a los cuales se ealiza á el e inamien o sub-píxel a cos a de una lige a pé dida de
?
c
:o
m
capacidad de comp esión. De es a mane a,
y
según los da os apo ados po los au o es, la
.-
-
m
c
m
.-
O
a qui ec u a es capaz de p ocesa 49K mac obloques po segundo a una ecuencia de abajo
m
?
-
de 100 MHz u ilizando pa a ello 79,4K pue as NAND2 equi alen es.
m
m
0
-
La segunda p opues a consis e en una a qui ec u a de e inamien o compues a po 128
elemen os de p oceso (8 g upos de 16 elemen os de p oceso cada uno) que ha sido
sin e izada sob e una FPGA modelo Vi ex2 de Xilinx ocupando 14k slices
y
28,5k LUTs, lo
cual, a juicio de los au o es, se co esponden con 225k pue as NAND2 equi alen es. Es a
a qui ec u a, de mane a con a ia a la ecomendación es ablecida po el es ánda , ealiza el
p oceso de búsqueda inspeccionado odas las posiciones con enidas en el á ea de búsqueda,
independien emen e de si és as son de p ecisión en e a o sub-píxel. Debido a es e esquema de
uncionamien o, es a a qui ec u a e alúa un núme o de posiciones de búsqueda ele adísimo
y,
como consecuencia di ec a, necesi a in e pola un núme o de mues as sub-píxel que c ece
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ídeo
de mane a exponencial con el aumen o del núme o de posiciones conside adas. Po úl imo, es
de des aca que los au o es suponen que oda el á ea de búsqueda es á p e-in e polada y
ubicada en un conjun o de memo ias conside adas pa a al in (no p oponen ningún ci cui o
de in e polación) y que además, no jus i ican los bene icios de busca en odas las posibles
posiciones en luga de segui el clásico esquema de búsqueda de p ecisión en e a y pos e io
e inamien o sub-~íxel.
Po úl imo, es de esal a el hecho de que en odos los abajos mencionados, ya sea en
a qui ec u as de p ecisión en e a o de p ecisión sub-píxel, el núme o de modos de es imación
de mo imien o e aluados es cons an e. En es e sen ido, las a qui ec u as mencionadas no
pe mi en inco po a los esul ados apo ados po nume osísimos abajos que pe mi en
educi el núme o de modos de es imación de mo imien o sin pé didas ap eciables en la
calidad de la imagen econs uida, en e los que des acan, en e o os, los publicados en
[AKM+04], [JC04] y [WPL+05]. Po lo an o, y pues o que es as es a egias han
demos ado su alidez en é minos de comp esión, esul a de in e és in es iga sus posibles
bene icios en é minos pu amen e a qui ec u ales.
2.4
Conclusiones
En es e capí ulo se han es ablecido las bases de la codi icación híb ida de ídeo haciendo
especial hincapié, po su ele ancia en es a Tesis, en el p oceso de es imación de mo imien o.
En pa icula , se ha desc i o la e olución de la e apa de cálculo de ec o es de mo imien o a
lo la go del p ocedimien o de es anda ización, e isándose asimismo las apo aciones más
signi ica i as al p oceso de es imación de mo imien o, an o desde el pun o de is a
algo í mico como a qui ec u al.
En p ime luga , se ha e isado la es uc u a in e na de un codi icado híb ido de ídeo
gené ico, pues cons i uye el núcleo básico de compu ación sob e el que se cons uyen los
di e en es es ánda es de comp esión de ídeo. En es e análisis ha quedado de mani ies o la
p esencia de es unidades uncionales cla amen e di e enciadas den o del codi icado :
unidad de p ep oceso, unidad de educción de edundancias espaciales y unidad de educción
de edundancias empo ales, pe eneciendo a es a úl ima la e apa de es imación de
mo imien o. Igualmen e, se han es udiado los equisi os impues os po cada es ánda a los
ec o es de mo imien o calculados po mac obloque y en consecuencia, a los es imado es de
mo imien o.
A
pa i de es e es udio se concluye que el es ánda
H.264/AVC
es el más
exigen e en cuan o al p oceso de mo imien o se e ie e, al conside a un núme o a iable de
ec o es de mo imien o (en e
1
y
16)
con p ecisión de cua o de píxel po mac obloque que
además, pueden apun a a cualquie a de los cinco o og amas p e iamen e p ocesados po el
codi icado .
c
:o
m
Es a c ecien e di e si icación de las al e na i as elacionadas con el p oceso de es imación de
.-
-
m
c
m
.-
O
mo imien o en los es ánda es de comp esión de ídeo, ha c eado la necesidad de dispone de
m
?
-
un conjun o de mecanismos que pe mi an decidi , pa a cada mac obloque, el mejo conjun o
m
m
0
-
o
-
de opciones pa a maximiza la asa de comp esión alcanzada. Las écnicas de op imización
a
a
0
lag angiana in oducidas en es e capí ulo pe mi en selecciona el conjun o de ec o es óp imo
n
-
a
O
O
pa a cada mac obloque median e la minimización de la unción de cos e
J,,,,.
El es udio de
dicha unción de cos e se á de especial ele ancia en la de inición del algo i mo adap a i o de
es imación de mo imien o que se desa olla á en el siguien e capí ulo de es a Tesis.
Po úl imo, se han ecopilado en es e capí ulo las apo aciones más signi ica i as al p oceso
de es imación de mo imien o. En dicha ecopilación se ha p es ado especial a ención a los
abajos elacionados con es imación de mo imien o adap a i a bajo los equisi os impues os
po el es ánda
H.264/AVC,
an o desde el pun o de is a algo í mico como a qui ec u al.
2
Es ado del a e de la codi icación híb ido de ideo
Como esul ado, se ha pues o de mani ies o pa a ambos casos un conjun o de p oblemas que
se án abo dados en los siguien es capí ulos y cuya solución ep esen a, en g an medida, las
apo aciones de es a Tesis.

P opues as algo í micas
de es imación de
mo imien o adap a i a
La es imación de mo imien o ep esen a, sin luga a dudas, la e apa c í ica den o de
un co& icado híb do de lCeo debido a su ele ado cos e compu acional e h luencia
en la asa de comp esión. Es e hecho ha dado luga al desa ollo de nume osos
algo imos ápidos de es imación de mo imien o po pa e de la comunidad cien í ica,
los cuales p esen an una educción del cos e compu acional con espec o al algo i mo
de búsqueda exhaus i a. Sin emba go, las p es aciones de comp esión o ecidas po
dichos algo imos ápidos dependen ex ao dina iamen e de las ca ac e lj icas
espaciales
y
empo ales de la secuencia de lCeo a comp imi .
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Con el obje i o de elimina es a dependencia, se p opone en es e capí ulo un nue o
algo i mo adap a i o de es imación de mo imien o. Es e algo i mo pe mi e, median e
adap ación a las ca ac e lj icas de la secuencia
y
a las exigencias del es ánda en uso,
ob ene unos excelen es ni eles de comp esión pa a odo ipo de secuencias
y
asas de
ansmisión, asegu ando un cos e compu acional h e io al del algo i mo de
búsqueda exhaus i a. Asimismo, el algo i mo p opues o supe a las lNni aciones
encon adas en los abajos p e ios que con o man el es ado dela e en es imación de
mo imien o adap a i a.
3.1
Anóss de
p oceso
de
es macón
de
mo men o
3
3.1
Análisis del p oceso de es imación de mo imien o
En el capí ulo an e io ha quedado de mani ies o que en los sis emas de codi icación híb ida
de ídeo con p es aciones de iempo eal basados en algún ipo de es ánda de comp esión, la
e apa de es imación de mo imien o se ealiza median e ajus e de bloques ( e apa ado
2.1.1.3). El núme o de ec o es de mo imien o, y en consecuencia los di e en es amaños de
bloque a conside a den o de un mac obloque, así como la p ecisión de dichos ec o es,
depende án del es ánda que se u ilice. En cualquie caso, cada codi icado debe á decidi
cuán os ec o es de mo imien o debe á en ia po mac obloque y qué algo i mo de ajus e de
bloques u iliza á pa a su cálculo. Pa a ello, las ecuaciones de op imización en é minos de
mul iplicado es de Lag ange in oducidas en el capí ulo an e io esul an se una solución
e icien e.
En es a sección se p esen a un en o no de simulación que pe mi e analiza de mane a
de allada el p oceso de ajus e de bloques en é minos de la ecuación de op imización de
Lag ange aplicada al p oceso de es imación de mo imien o. A pa i de es e análisis, se
ex ae án una se ie de conclusiones que se án cla es en el diseño de la es a egia adap a i a
de es imación de mo imien o p opues a en es a Tesis.
3.1.1
Mo i ación del análisis
El algo i mo de búsqueda exhaus i a ob iene las mayo es asas de comp esión den o de los
algo i mos de ajus e de bloques median e la e aluación de odas las posibles posiciones
den o del á ea de búsqueda. Sin emba go, el p incipal p oblema que p esen a es e algo i mo,
apa e de su ele ado cos e compu acional, es que se basa exclusi amen e en minimiza una
mé ica de e o (SAD), sin ene en cuen a la consis encia de los ec o es de mo imien o
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
calculados
[JZC03].
En el con ex o de la es imación de mo imien o, la consis encia del
campo de ec o es de mo imien o se e ie e al hecho de que no exis an g andes di e encias
en e ec o es de mo imien o de bloques ecinos, o dicho de o a mane a, que el conjun o de
ec o es de mo imien o ob enido sea "sua e". Es a suposición es á comple amen e
jus i icada, pues, lo que no pa ece lógico es que bloques de píxeles que pe enecen a un
mismo obje o den o de una misma imagen p esen en mo imien os con elocidades y
di ecciones diame almen e opues as.
Sin emba go, y debido a los p oblemas ya mencionados del algo i mo de búsqueda
exhaus i a, una si uación muy común que se p oduce as una es imación de mo imien o
basada en es e algo i mo es la ob ención de un conjun o ec o es de mo imien o que no
ep oducen ielmen e el mo imien o eal exis en e en la secuencia de ídeo, pudiendo
ob ene se pa a bloques ecinos esul ados comple amen e dispa es. Debido a que, al y como
y se ha explicado, en los es ánda es de comp esión de ídeo los ec o es de mo imien o se
codi ican de o ma di e encial con espec o a los ec o es de bloques ecinos, es e hecho
conlle a que se emplee un núme o excesi o de bi s pa a la ansmisión de odos los ec o es
de mo imien o co espondien es a un o og ama, y po lo an o un conside able aumen o del
alo de la unción de Lag ange
J,,,,.
Asimismo, la ob ención de
ec o es de mo imien o e dade os
-
en endiéndose po ec o de
mo imien o e dade o aquel que ep oduce el mo imien o eal de la escena que se analiza
-
esul a se de i al impo ancia en aplicaciones que
cohabi an
con los sis emas de comp esión
de ídeo. Ejemplos cla os de es as aplicaciones, en las que las p es aciones globales del
sis ema dependen ex ao dina iamen e de la e acidad de los ec o es de mo imien o, son:
Aumen o de la esolucidn empo al de la secuencia de ldeo.
En muchas ocasiones,
con el obje i o de aumen a la asa de comp esión ob enida o bien an e si uaciones
a iables en el canal de ansmisión, se submues ea en la dimensión empo al la
3.1
Anóss de
p oceso
de
es macón
de
mo men o
3
Figu a
3.2:
Resul ados del p oceso de ca ac e ización en unción de los pa áme os
ln a
-
JAD
y
JAD
-
minpa a
Qp
=
30.

3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
A pa i de es as g á icas se ex aen las siguien es conclusiones:
Al aumen a el ni el de dis o sión de la imagen ecupe ada con el aumen o del escalón
de cuan i icación, el núme o de ec o es e óneos es conside ablemen e mayo . De
hecho, en el caso de es udio desc i o, el po cen aje de ec o es de mo imien o
e dade os disminuye desde el
60.75%
has a el
38.23%
al cambia el escalón de
cuan i icación de
Q,=2
a
Q,=30.
Debido a es e aumen o en el ni el de dis o sión, los alo es de SALmin son
mayo es a medida que aumen a el alo del escalón de cuan i icación, indicando una
meno simili ud en e imágenes. Asimismo, los mac obloques de al a a ianza
espacial ( alo es de ha-SAD ele ados) p esen an al os alo es de SAD-min,
siendo es e hecho más e iden e a medida que aumen a el ni el de dis o sión.
Los mac obloques con alo es al os de ha-SAD p esen an un mayo g ado de
p obabilidad de se e dade os, p obabilidad que aumen a con la disminución del
escalón de cuan i icación. Es e hecho, jun o con el an e io , desmien e la clásica
suposición de que un ec o de mo imien o que iene asociado un al o alo de
SALmines u o de una mala es imación de mo imien o.
3000
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3.1
Anóss de
p oceso
de
es macón
de
mo men o
3
Figu a
3.3:
Resul ados del
p oceso
de
ca ac e ización
en
unción
de
los
pa áme os
ln a
-
JAD
y
JAD
-
minpa a
Qp
=
2.
3.1.3.2
Resul ados de la e acidad de los ec o es de mo imien o en é minos de
In o-SAD
y
SAD-de io ion
Se p esen an en las Figu as
3.4 (Q,=30)
y
3.5 (Q,=2)
las g á icas análogas a las
an e io men e p esen adas, pe o es a ez en unción de los pa áme os
In a-SAD
y
SAL De ia ion.
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Figu a
3.4:
Resul ados del
p oceso
de
ca ac e ización
en
unción
de
los
pa áme os
ln a
-
JAD
y
JAD
-
de ia ionpa a
Qp
=
30.
Además de con i ma las conclusiones es ablecidas en el apa ado an e io ace ca del
po cen aje de ec o es de mo imien o e dade os en unción del escalón de cuan i icación,
es as g á icas pe mi en ex ae nue as conclusiones:
3.1
Anóss de
p oceso
de
es macón
de
mo men o
3
Los mac obloques que p esen an un al o alo de ha-SAD ienen asociado un alo
de SALde ia ion ele ado.
A
pesa de que en la magni ud del SAEmin exis en no ables di e encias en e los
dos casos ex emos del alo de cuan i icación seleccionados, es as di e encias son
menos ap eciables en lo que espec a al alo de SA&de ia ion Dicho de o a
mane a, los bloques de al a a ianza espacial p esen an un al o alo de
SAD-de ia ion, independien emen e del ni el de comp esión.
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Figu a
3.5:
Resul ados del
p oceso
de
ca ac e ización
en
unción
de
los
pa áme os
ln a
-
JAD
y
JAD
-
de ia ionpa a
Qp
=
2.
3.1.3.3
E olución del núme o de ec o es de mo imien o e dade os con el ni el de
comp esión
Como úl imo esul ado de es a ca ac e ización se p esen a, pa a es secuencias de ídeo
ob enidas a pa i del en o no de simulación p opues o omando el p ime o og ama de las
secuencias SUZIE, MISS AMERICA y COASTGUARD, la endencia del núme o de ec o es de
mo imien o e dade os con el alo del escalón de cuan i icación.
Los esul ados ob enidos se mues an en la Figu a
3.6,
con i mando cla amen e las
a i maciones es ablecidas en los apa ados an e io es de es a misma sección
3.1.3.
En es e
sen ido, si se analizan los esul ados ob enidos pa a un mismo alo del escalón de
cuan i icación, se cons a a que la mayo can idad de ec o es de mo imien o e dade os se
ob iene pa a la secuencia con mayo ac i idad espacial, en es e caso, la secuencia c eada a
pa i del p ime o og ama de SUZIE. Asimismo, se obse a que pa a cualquie a de las es
secuencias de ídeo es udiadas, el núme o de ec o es e dade os ob enidos as una
es imación de mo imien o po ajus e de bloques disminuye con el aumen o del ac o de
cuan i icación de mane a no lineal.

3.1
Anóss de
p oceso
de
es macón
de
mo men o
3
Escaon
de
cuan i icación
Figu a
3.6:
E olución del
núme o
de ec o es e dade os
pa a
las
es
secuencias
es udiadas.
3.1.4
Análisis de los esul ados
y
conclusiones
Los esul ados ob enidos en el apa ado an e io pe mi en es ablece una se ie de
a i maciones en cuan o al uso de un de e minado algo i mo de es imación de mo imien o po
ajus e de bloques
y
su epe cusión en la asa de comp esión. Así, analizando dichos esul ados
e in e p e ándolos en unción de los pa áme os p opios de la ecuación de Lag ange pa a la
es imación de mo imien o, se es ablecen las siguien es conclusiones:
En los bloques de al a ac i idad espacial, la e aluación de un núme o ele ado de
posiciones den o del á ea de búsqueda es c l ica.
Los bloques que p esen an un
ha-SAD
al o se ca ac e izan po ene
asociado un ele ado alo de
SAD-de ia ion.
Po lo an o, si el algo i mo de
ajus e de bloques no es capaz de encon a la posición de mínimo SAD den o
del á ea de búsqueda, exis en muchas p obabilidades de que la unción de
cos e
J,,,,
c ezca d ás icamen e, independien emen e del ni el de
comp esión con el que se es é abajando. Es e hecho ocu e con ecuencia en
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
algo i mos ápidos de es imación de mo imien o los cuales, debido a sus
ca ac e ís icas in ínsecas de uncionamien o, quedan ípicamen e a apados
en mínimos locales.
La aplicación del algo i mo de búsqueda exhaus i a esul a se muy e icaz a la
ho a de p opo ciona un ec o de mo imien o e dade o pa a es e ipo de
bloques, pa icula men e pa a alo es bajos del escalón de cuan i icación. Po
lo an o, al se el mo imien o eal de las escenas gene almen e sua e, el
é mino
Rm0,,
se bene icia ambién del uso de es a es a egia de búsqueda.
En los bloques de baja ac i idad espacial, la ob encidn de un campo de ec o es de
mo imien o homogeneo es c l ica.
Los bloques que p esen an un ha-SAD bajo ambién p esen an un alo de
SALde ia ion educido. Es e hecho de e mina que la aplicación de un
algo i mo ápido no suponga un iesgo ele ado en cuan o al c ecimien o de la
unción de cos e
Jm0,,,
pues el SAD asociado a una posición no mínima no
dis a á demasiado del SA&minco espondien e a dicha posición de mínimo.
Además, y de mane a análoga a lo que ocu ía en los bloques de al a ac i idad
espacial, es e hecho se da pa a odo el ango posible de alo es del escalón de
cuan i icación.
La ob ención de un campo de ec o es de mo imien o homogéneo es c ucial
en es os bloques, pues de no se así, el é mino
R,,,,
aumen a á
conside ablemen e. Es e hecho se obse a cla amen e en la Figu a
3.7,
en la
cual se ep esen a una imagen ipo P decodi icadajun o con los ec o es de
mo imien o asociados a cada uno de sus mac obloques. En las zonas
esal adas en dicha igu a se obse a que el conjun o ob enido de ec o es de
mo imien o es al amen e incohe en e, p o ocando un conside able aumen o
en el núme o de bi s necesa io pa a la ansmisión di e encial de los ec o es
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
emba go, conlle a un aumen o excesi o del núme o de bi s necesa io pa a la
ansmisión de dichos ec o es de mo imien o.
3.2
Pos -p ocesamien o de ec o es de mo imien o
En el apa ado an e io se ha expues o la impo ancia de ob ene un campo de ec o es de
mo imien o cohe en e pa a la op imización de la asa de comp esión de un codi icado
híb ido de ídeo. Es e hecho cob a especial ele ancia en los bloques de baja ac i idad
espacial, en los que la aplicación de un algo i mo de ajus e de bloques po búsqueda
exhaus i a, si bien encuen a el mínimo
SAD
posible den o del á ea de búsqueda, esul a
cla amen e ine icien e en cuan o a la ansmisión de los ec o es de mo imien o calculados.
Po lo an o, en codi icado es de ídeo en los que se desee al a capacidad de comp esión
haciendo uso de un algo i mo de ajus e de bloques po búsqueda exhaus i a, esul a necesa ia
la modi icación de los ec o es ob enidos sin que ello suponga un de imen o en las
p es aciones o iginales, independien emen e de la secuencia de ídeo a comp imi . Una
solución a es e p oblema pod ía ob ene se median e la aplicación de e apas de pos -
p ocesamien o de los ec o es de mo imien o. En es e apa ado se analiza es a posibilidad
y
se de allan los esul ados de su aplicación a las secuencias que se u ilizan como elemen os de
p ueba.
3.2.1
Es a egia de pos -p ocesamien o p opues a
La e apa de pos -p ocesamien o p opues a, la cual ha sido publicada en la e is a
in e nacional
IEEElec onics Le e s
[LCL+03b]
y
en la e is a de ámbi o local
Vec o Plus
[LCL+05a], se basa en ealiza un il ado del ec o de mo imien o ob enido. Pa a ello, se
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
sa is ac o io se ejecu a el algo i mo de búsqueda exhaus i a, al y como se mues a en la
Figu a 3.11
Algo i mo
FSBM
~Vec o
mo imien o
sa is ac o io?
I
inalizada
Figu a
3.1
1
:
Esquema
gene al
de
decisión
den o
de
la
es a egia
adap a i a.
3.3.2
Pa áme os necesa ios
y
c i e ios de decisión adap a i os
Una ez es ablecidas las líneas básicas de la es a egia de es imación de mo imien o
adap a i a, es necesa io iden i ica un conjun o de pa áme os que pe mi a es ablece , de
mane a sencilla, un c i e io de decisión ace ca de la alidez del ec o de mo imien o
ob enido po el algo i mo p edic i o. Tal y como se mues a en la Figu a 3.11, es os
pa áme os debe án p o ee in o mación ace ca de es ac o es:
Necesidades de la aplicacibn. Ob iamen e, mien as mayo sea el núme o de bloques
pa a los que el ec o de mo imien o calculado po el algo i mo p edic i o es
sa is ac o io, meno se á el cos e compu acional asociado. Sin emba go, pa a la
inmensa mayo ía de los casos, es a disminución del cos e compu acional lle a á
consigo una disminución de las p es aciones de comp esión del codi icado .

3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Ca ac e ls icas de la secuencia de ldeo a comp imi .
Una ez gadas las necesidades
de la aplicación, la adap ación a las singula idades de la secuencia a comp imi esul a
cla e pa a ealiza un uso e icien e de los ecu sos de cómpu o. Pa a ello, un
pa áme o cla e es el In a-SAD del bloque de e e encia pues, al y como ha
quedado demos ado, su alo es indica i o de las p obabilidades de éxi o de un
algo i mo de na u aleza p edic i a. En pa icula , si el alo de In a-SADes bajo, el
algo i mo PBM esul a una opción muy e icien e, dec eciendo sus p es aciones a
medida que el alo de ln a-SADaumen a.
Calidad del ec o de mo imien o calculado po el algo i mo
PBM.
Po úl imo, es
necesa io e alua de mane a p ecisa la idoneidad del ec o p opo cionado po el
algo i mo p edic i o. Pa a es e p opósi o, se inspecciona la magni ud del
SAD
del
ec o de mo imien o calculado po el algo i mo PBM (de aquí en adelan e
SAD-PBM), pues mien as meno sea el SAD-PBM, meno se á la unción cos e
lag angiana asociada a ese ec o .
Con es os pa áme os, y pues o que ya ha quedado de mani ies o en el p esen e capí ulo que
la alo ación de una de e minada es a egia de es imación de mo imien o no debe es a
basada exclusi amen e en mé icas de e o , se es ablece como c i e io de decisión la
e aluación de la suma de los pa áme os ln a-SADy SAD-PBM, al y como se indica en la
Figu a
3.12.
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
1
Algo i mo
PBM
1
Es imación de
Algo i mo
FSBM
<
comm
mo imien o
I
inalizada
Figu a
3.
12:
Esquema
de
decisión
den o
de
la
es a egia
adap a i a
en
unción
de
los
pa áme os
seleccionados.
3.3.3
Resul ados de la es imación de mo imien o adap a i a
Tal y como se ha exp esado en el apa ado an e io , el c i e io de decisión end á
de e minado po una cons an e,
C,
que denomina emos
cons an eadap a i a.
A con inuación se p esen an los esul ados ob enidos con el c i e io de decisión gado
p e iamen e pa a di e en es alo es de es a cons an e. En pa icula , los esul ados se han
ob enido con secuencias de muy di e en es ca ac e ís icas espaciales y empo ales en las que
odos los o og amas, excep o el p ime o, han sido codi icados en modo
INTER
con un
codi icado
H.263.
Los ec o es de mo imien o se han calculado con p ecisión de medio píxel
sob e bloques de
16x16
píxeles con un á ea de búsqueda, en el caso de aplica el algo i mo de
búsqueda exhaus i a, de
46x46
píxeles
(pl=p2=15).
Asimismo, con el obje i o de e alua la
bondad del c i e io de decisión pa a asas de ansmisión bajas, odas las secuencias han sido
codi icadas pa a alo es del escalón de cuan i icación en e
30
y
16.
En odos los casos, se
han elegido secuencias de amaño QCIF mues eadas a
10
o og amas po segundo debido a
que, bajo es as condiciones de baja asa de mues eo, la hipó esis de que el mo imien o en
3
P opues as
algo í micas
de
es imación
de
mo imien o
adap a i a
una secuencia de ídeo es sua e y con inuo pie de consis encia, y po lo an o, se puede
obse a un al o po cen aje de casos en los que el algo i mo p edic i o no es e icaz. Una ez
jado el c i e io de decisión pa a es as condiciones, se in es iga á si es igualmen e álido pa a
asas de ansmisión y de mues e0 empo al mayo es.
En la Figu a 3.13 se mues an los esul ados ob enidos pa a las secuencias CARPHONE,
FOREMAN, MISS
AMERICA y TABLE pa a los siguien es alo es de la cons an e adap a i a:
C
=
O,
5000,10000,15000 y 20000.
CARPHONE
13
18
23 28
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
FOREMAN
18
23 28
33 38
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
TABLE
z
a
335
320
5
6
7
8 9
15
20
25
30
35
Tasa
de
ansmisión
(kbpi)
Tasa
de
ansmisión
(kbpi)
Figu a
3.13:
Resul ados
de
comp esión
pa a
di e en es
alo es
de
la
cons an e
adap a i a.
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
A pa i de es as g á icas se ex aen las siguien es conclusiones:
Pa a asas bajas de ansmisión, las mejo es p es aciones de codi icación se ob ienen
pa a los alo es de cons an e
C
=
5000
y
C
=
10000,
incluso supe io es a las
ob enidas con
C
=
O.
Po lo an o, con es os alo es se consigue
inyec a
una
elación adecuada de ec o es de mo imien o ob enidos con el algo i mo p edic i o
que hacen que la unción global de cos e JmO ,,disminuya.
Pa a asas de ansmisión mayo es, las mejo es p es aciones de codi icación se
ob ienen pa a los alo es de cons an e
C
=
O
y
C
=
5000.
Al baja el alo del escalón
de cuan i icación, el peso asignado al é mino
Rm0,,
disminuye y po lo an o, cob a
mucho mayo p o agonismo den o de la unción de cos e el SAD co espondien e al
ec o calculado.
Las di e encias en las cu as de p es aciones p o ocadas po cambios en el alo de la
cons an e son mucho más ap eciables en el caso de secuencias con ele ado
mo imien o y/o al a ac i idad espacial (FOREMAN y TABLE) que pa a el caso
con a io (Miss AMERICA), en el cual apenas exis en a iaciones en e las cu as
co espondien es a di e en es alo es de la cons an e.
Con el obje i o de comple a el análisis de los esul ados ob enidos, se p esen an en la Figu a
3.14
el cos e compu acional (en é minos del núme o medio de posiciones e aluadas po
mac obloque den o del á ea de búsqueda) ob enido pa a cada uno de los casos y secuencias
es udiadas.
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
CARPHONE
~20000
+
15000
-N-
10000 -5000 -0
,
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
MISS AMERICA
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
FOREMAN
Escalón
de
cuan i icación
TABLE
Escalón
de
cuan i icación
Figu a
3.14:
Núme o
medio
de
posiciones
e aluadas
po
mac obloque
pa a
di e en es
alo es
de
la
cons an e
adap a i a.
Como e a de espe a , el núme o de posiciones e aluadas disminuye a medida que aumen a el
alo de la cons an e. Además de es a e idencia, a pa i de la obse ación de es as g á icas
se puede a i ma lo siguien e:
El núme o de posiciones e aluadas pe manece es able aunque a íe el alo del
escalón de cuan i icación, y po lo an o, el ni el de comp esión.

3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
Pa a cada uno de los alo es de la cons an e analizados, el meno cos e
compu acional se ob iene pa a aquellas secuencias con poco mo imien o y/o poca
ac i idad espacial, como es el caso de la secuencia Miss
AMERICA.
3.3.3.1
Ajus e de la cons an e adap a i a con
Qp
Con el obje i o de alcanza siemp e unas de e minadas p es aciones de comp esión, se
in oduce un ajus e cuad á ico con Q,de la cons an e adap a i a:
Como puede obse a se, el alo de la cons an e adap a i a aumen a ápidamen e con el
ni el de comp esión. Asimismo, con la inalidad de pode ajus a ácilmen e su alo según las
p es aciones eque idas, los pa áme os
a
y
p
pe mi en ealiza , espec i amen e, un ajus e
ino y un ajus e g ueso del alo de es a cons an e. Con el obje i o de e alua los cambios en
las cu as co espondien es a las Figu as 3.13 y 3.14 mos adas an e io men e, se han gado
los alo es de
a
y
p
de al mane a que se consigan, como mínimo, las mismas p es aciones
que con
C
=
O
(equi alen e a elegi siemp e el ec o de mo imien o calculado po el
algo i mo de búsqueda exhaus i a).
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
CARPHONE
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
FOREMAN
Taia
de
ansmisión
(kbpil
MISS AMERICA TABLE
Tasa
de
ani niiion
(kbpi)
Tasa
de
animiiion
(kbpi)
Figu a
3.1
5:
Resul ados
de
comp esión
con
ajus e
de
la
cons an e
adap a i a
con
Qp.
Pa a ello,
y
as ealiza nume osas simulaciones pa a sa is ace la condición impues a, se
jan los alo es
a
=
1000
y
P
=
8,
ob eniéndose las cu as de comp esión mos adas en la
Figu a
3.15.
En es a igu a se compa an las p es aciones ob enidas en los casos lími e
C
=
O
(siemp e se elige el ec o p opo cionado po el algo i mo
FSBM)
y
C
=
20000
(p ác icamen e igual a elegi siemp e el ec o p opo cionado po el algo i mo
PBM),
con las
ob enidas median e el ajus e de la cons an e adap a i a con
Q,.
Los alo es de
a
y
/se han
jado con el obje i o de ob ene , pa a cada alo posible del escalón de cuan i icación, un
alo de la cons an e adap a i a que o ezca p es aciones de comp esión óp imas pa a
cualquie secuencia de ídeo según lo es ablecido en la Figu a
3.13.
Asimismo, la elación
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
cuad á ica de la cons an e adap a i a con el escalón de cuan i icación pe mi e e i a la
ápida pé dida de calidad que se p oduce en secuencias de ídeo con mo imien os caó icos
(como es el caso de FOREMAN) pa a alo es al os de la mencionada cons an e a medida que
aumen a el alo de
Q,
man eniendo el cos e compu acional po debajo del exhibido po el
algo i mo de búsqueda exhaus i a.
De es a mane a, al in oduci una cons an e ajus able se alcanza el obje i o de consegui
unas p es aciones de comp esión máximas
y
cons an es, en el sen ido de que siemp e se
alcanzan las p es aciones máximas de comp esión si se seleccionan adecuadamen e los
alo es de los pa áme os
a
y
p
Es e obje i o se ob iene ealizando un es ue zo
compu acional a iable, al
y
como se mues a en la Figu a
3.16.
A
pa i del es udio de es as g á icas, se puede obse a cómo el algo i mo p opues o cumple
con uno de los obje i os de es a Tesis, que no es o o que la doble adap ación del cos e
compu acional a las necesidades de comp esión
y
a las ca ac e ís icas de la secuencia de ídeo
a comp imi :
Adap acibn a las necesidades de comp esibn.
Como puede obse a se, pa a cada
secuencia indi idual el cos e compu acional a ía con el alo del escalón de
cuan i icación, man eniendo siemp e unos equisi os de máxima comp esión.
Adap acibn a la secuencia a comp imi .
Pa a log a es e obje i o, el algo i mo ealiza
un uso in eligen e de los ecu sos, ob eniéndose un cos e compu acional aco de con
las peculia idades de la secuencia a comp imi .
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Escalón
de
cuan i icación
FOREMAN
-20000 cC(1000.80pJ +O
-
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
Escalón
de
cuan i icación Escalón
de
cuan i icación
Figu a
3.16:
Núme o
medio
de
posiciones
e aluadas
po
mac obloque
con
ajus e
de
la
cons an e
adap a i a
con
Qp.
Sin emba go, a pesa de que el obje i o de la doble adap abilidad es á cumplido, oda ía se
puede educi el cos e compu acional global de la solución apo ada. Pa a ello, hab á que
ene en cuen a el hecho de que en algunas ocasiones el algo i mo PBM p opo ciona un
ec o álido aunque no se cumplan las especi icaciones es ablecidas po el c i e io de
decisión
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
CARPHONE.
5
ps
Taia
de
ansmisión
(kbpi]
MISS AMERICA,
5
ps
""""""""J
6
26
16
66
86
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
FOREMAN.
5
ps
Taia
de
ansmisión
(kbpi]
TABLE.
5
ps
20
m
120
170 220
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
Figu a
3.22:
P es aciones de comp esión con ac o es de cuan i icación bajos pa a secuencias mues eadas a
5
o og amas po
segundo.
A
pa i de es as g á icas,
y
de los esul ados an e io es, se deduce que el algo i mo
ACBM
es
capaz de ob ene las mejo es p es aciones de comp esión independien emen e del escalón de
cuan i icación u ilizado. Po lo an o, la solución inal p opues a es capaz de adap a
au omá icamen e el cos e compu acional, no sólo a las ca ac e ís icas espaciales
y
empo ales de la secuencia de ídeo a comp imi , sino ambién al ni el de comp esión a
ob ene .

3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
3.3.4.3
Cos e compu acional de la solución p opues a
Po úl imo, en la Figu a
3.23
se mues a el cos e compu acional, en é minos del núme o
medio de posiciones e aluadas po mac obloque, asociado a la solución p opues a pa a los
dos casos ex emos de mues e0 empo al es udiados.
Escalón
de
cuan i icación Escalón
de
cuan i icación
MISS AMERICA TABLE
1
1
7
10
13
16 19
22 25
28
31
1
1
7
10
13
16 19
22 25
28
31
Escalón
de
cuan i icación Escalón
de
cuan i icación
Figu a
3.23:
Núme o
medio
de
posiciones
e aluadas
po
mac obloque
con
c i e io
de
decisión
dinámico.
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
A pa i de es as g á icas se ex aen las siguien es conclusiones:
El algo i mo p opues o es capaz de adap a au omá icamen e el cos e compu acional
a las ca ac e ís icas espaciales y empo ales de la secuencia a comp imi . En
pa icula , a medida que disminuye la asa de mues eo, el algo i mo inc emen a el
es ue zo compu acional debido al empeo amien o de las p es aciones del algo i mo
p edic i o.
En odos los casos, el cos e compu acional es cla amen e in e io al asociado al
algo i mo FSBM. Sin emba go, y al y como se ha demos ado an e io men e, las
p es aciones de comp esión ob enidas son lige amen e supe io es.
El cos e compu acional ob enido no c ece monó onamen e con el alo del escalón de
cuan i icación. Es e hecho es debido a que, a medida que dec ece el ni el de
dis o sión, los ec o es de mo imien o óp imos pa a comp esión se asemejan en
mayo medida a los ec o es que ep oducen el mo imien o eal de la escena y po lo
an o, exis e mayo p obabilidad de que en e el conjun o de posiciones calculadas
po el algo i mo p edic i o, exis a al menos una sa is ac o ia.
3.3.5
Reducción del cos e ha dwa e asociado al algo i mo
ACBM
p opues o
El algo i mo ACBM p opues o en es a Tesis ep esen a una es a egia e icaz de es imación
de mo imien o y, al como se ha mos ado, pe mi e ob ene unas excelen es p es aciones
median e la adap ación del es ue zo compu acional a las ca ac e ís icas de la secuencia de
ídeo y a las necesidades de comp esión. Sin emba go, cie as aplicaciones equie en que el
ha dwa e u ilizado sea de bajo cos e. En es e sen ido el algo i mo ACBM, p opues o como
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
una combinación del PBM
y
del FSBM, p esen a un conjun o de ca ac e ís icas que
di icul an la u ilización de un ha dwa e educido. En e ellas las más impo an es son las
siguien es:
El algo i mo PBM oma los ec o es co espondien es a
la
ecindad espacio- empo al
en coo denadas de medio plxel.
Es e hecho hace que, cada ez que se calcule el SAD
de uno de los candida os elegidos, sea necesa io in e pola la zona a la que dicho
ec o candida o apun a.
El algo i mo PBM e alúa du an e la ase de e inamien o posiciones de plxel
y
medio
plxel indis in amen e.
Es a ca ac e ís ica del algo i mo PBM di icul a en g an medida
su implemen ación, pues en las a qui ec u as de es imación de mo imien o se ealiza
de mane a sepa ada la búsqueda con p ecisión en e a
y
la búsqueda sub-píxel,
dependiendo es a úl ima del ec o de mo imien o ob enido con p ecisión en e a.
El á ea de búsqueda. en el caso de que se enga que ejecu a el algo i mo FSBM.
esul a se de 46x46 plxeles
@,=
p,=
15).
Pues o que cada píxel es a codi icado con
8
bi s, el amaño de la memo ia
cache
necesa ia pa a el almacenamien o del á ea de
búsqueda es de
16928
bi s. Además, el núme o de posiciones a e alua pa a cada
mac obloque sob e el que se decide ejecu a el algo i mo de búsqueda exhaus i a es
de
(p,
+
p,
+
l)',
más
8
posiciones pa a ob ene un ec o de coo denadas de medio
píxel.
Con el obje i o de educi el cos e de la implemen ación ha dwa e del algo i mo ACBM,
man eniendo la calidad del esul ado inal, en es a Tesis se p oponen ealiza las siguien es
modi icaciones en los algo i mos PBM
y
FSBM:
3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
Se educe el núme o de ec o es candida os a e alua du an e la p ime a ase del
algo i mo
PBM.
En luga de elegi cua o ec o es a pa i de la ecindad espacio-
empo al del mac obloque bajo análisis, se seleccionan sólo es. En pa icula , se
eligen los ec o es de los mac obloques supe io e izquie do den o del mismo
o og ama, así como el ec o co espondien e a la misma posición de mac obloque
en el o og ama an e io (mac obloques
Mí3
,,,
y
Mí3
,,
,,
en la
e minología de la Figu a 2.12). La elección de es os ec o es se debe a que son los
que p esen an mayo co elación espacio- empo al con el ec o de mo imien o a
calcula [CFP02].
Los cua o ec o es candida os elegidos du an e la p ime a ase del algo i mo
PBM,
asl como las posiciones co espondien es a la segunda ase de e inamien o, han de
es a en coo denadas de plxel. De es a mane a, y as la e aluación de los es
ec o es de la ecindad espacio- empo al más el ec o ce o, se p ocede a la ase de
e inamien o en la o ma en la que se indica en la Figu a 3.24 (b), sus i uyendo la ase
o iginal de e inamien o mos ada en la Figu a 3.24 (a).
El e inamien o a coo denadas sub-plxel es común pa a ambos algo i mos. Una ez
e aluadas las doce posiciones co espondien es al algo i mo PBM, se de e mina si el
ec o de coo denadas de píxel ob enido es sa is ac o io. En caso a i ma i o, se
p ocede al e inamien o a coo denadas de medio píxel y se concluye la es imación de
mo imien o. En caso con a io, se ealiza la búsqueda exhaus i a con p ecisión
en e a, ealizándose después el co espondien e e inamien o de medio píxel.
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Po ición apun ada
po
la p ime a e apa
(coo denadas de pixcl
o
de medio pixg
1
I I
..e...
l..
*...
l.....
I I
I I
I I
Posición apun ada po la p ime a c apa
(coomlcnada de pixc)
Posición de e inamien o Pmición de e inamien o
(cowdcnadas de pixel
o
de medio pix<ll (<oo denada de pkc)
(4
(b)
Figu a
3.24:
E apa
de
e inamien o
en
el algo i mo
PBM
(a)
y
p opues a
de
modi icación
pa a
educi
el
cos e
ha dwa e
asociado
(b).
En los casos en los que se enga que ejecu a el algo i mo
FSBM,
el á ea de búsqueda
se educe a
31x31
plxeles.
De es a mane a, el amaño de la memo ia in e na del
es imado de mo imien o se á de 7688 bi s y el núme o de posiciones a e alua den o
del á ea de búsqueda se á igual a 256
Es e nue o algo i mo p edic i o p opues o, cuyo cos e de implemen ación es
signi ica i amen e meno que el co espondien e al algo i mo PBM o iginal, se denomina á,
en el ma co de es a Tesis, algo i mo PBM-HW
(P edic i e Block Ma ching- Ha dWa e).
De mane a análoga, el algo i mo adap a i o que hace uso de dicho algo i mo p edic i o
PB M-H W se denomina á ACBM-HW
(Adap i e Cos Block Ma ching- Ha dWa e)
).
Llegados a es e pun o, es necesa io e alua las p es aciones del algo i mo ACBM con las
modi icaciones in oducidas. Dicha e aluación se mues a g á icamen e en la Figu a 3.25, en
la cual se han u ilizado las secuencias de es udio mues eadas a
10
o og amas po segundo,

3.3
P opues as algo í mcas pa a a es macón de mo men o
3
p esen ándose ambién los esul ados ob enidos con las dos á eas de búsqueda de inidas. En
es as g á icas se cons a a que las modi icaciones del algo i mo ACBM no conlle an pé didas
ap eciable en las p es aciones de comp esión con espec o al o iginal sal o pa a el caso de la
secuencia con mayo can idad de mo imien o, es o es, la secuencia
FOREMAN.
Sin emba go, y
al y como se puede obse a en la g á ica co espondien e a es a secuencia, es e
empeo amien o es á mo i ado única y exclusi amen e po la disminución del amaño del á ea
de búsqueda. A pa i de es e esul ado, se puede a i ma que las modi icaciones in oducidas
sob e el algo i mo PBM con el obje i o de acili a su pos e io implemen ación ha dwa e, no
conlle a pé didas ap eciables en las p es aciones del algo i mo ACBM inal.
CARPHONE FOREMAN
310
XFSBM (46x46)
-ACBM~HW FSBM(31x31I
13
18
23 28
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
XFSBM (46x46)
FSBM (31x311
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
!!.
18
23 28
33 38
Taia
de
ansmisión
(kbpi)
TABLE
Figu a
3.25:
Compa ación
de
p es aciones
de
comp esión
en e
el algo i mo
ACBM
o iginal
y
ACBM
modi icado
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
Pa a comple a el análisis e ec uado en es e apa ado, se mues a en la Figu a
3.26
el cos e
compu acional de la e sión modi icada del algo i mo
ACBM,
comp obándose la conside able
educción en el núme o medio de posiciones e aluadas.
CARPHONE
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
FOREMAN
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
TABLE
15
18
21
21
27
30
Escalón
de
cuan i icación
Figu a
3.26:
Núme o
medio
de
posiciones
e aluadas
po
mac obloque
en
la solución inal
adop ada.
3.4
Es macón de mo men o adap a a pa a bloques de opología a obe
3
3.4
Es imación de mo imien o adap a i a pa a bloques de
opología a iable
En el apa ado an e io se han mos ado los esul ados ob enidos con la es a egia diseñada
pa a es imación de mo imien o en mac obloques (16x16 píxeles), usando pa a su alidación
el es ánda H.263. Sin emba go, an o en es e es ánda como en H.264/AVC, se in oduce la
posibilidad de ealiza la es imación de mo imien o pa a di e en es amaños den o de un
mismo mac obloque (es imación de mo imien o mul imodo). En pa icula , el es ánda
H.263 sopo a de mane a opcional que un mac obloque pueda codi ica se haciendo uso de un
solo ec o de mo imien o o de 4 ec o es de mo imien o, uno pa a cada bloque de 8x8
píxeles. Asimismo, al y como se ecoge en el capí ulo an e io , el es ánda H.264/AVC
pe mi e di idi un mac obloque de sie e mane as di e en es, de o ma que un mac obloque
pueda ene asociado un núme o de ec o es de mo imien o a iable comp endido en e 1 y
16.
En es e apa ado se p esen an las modi icaciones ealizadas en el algo i mo ACBM con el
obje i o de ob ene ec o es de mo imien o pa a amaños de bloque a iables siguiendo la
misma es a egia adap a i a. Igualmen e, se p esen an los esul ados ob enidos con las
modi icaciones in oducidas pa a el caso de los es ánda es H.263 y H.264/AVC, u ilizando
pa a ello las secuencias habi uales de es .
3.4.1
Análisis de la u ilización de bloques de amano a iable en la
codi icación híb ida de ídeo
En gene al y de mane a muy esumida, el algo i mo ACBM desc i o has a aho a conside a
que el ec o p opo cionado po el algo i mo p edic i o es sa is ac o io cuando se p oduce
alguna de es as dos condiciones:
3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
El mac obloque de e e encia p esen a un al o g ado de homogeneidad.
Es e hecho se
con ola den o del algo i mo median e la inspección del pa áme o In a-SAD,
a o eciendo el ec o ob enido po el algo i mo p edic i o.
El mac obloque de e e encia p esen a un excelen e
encaje
con espec o a alguna
posición del á ea de búsqueda.
Pa a ello, se e alúa el SAD asociado al ec o ob enido
po el algo i mo PBM (SAD-PBM), de e minando si és e es lo su icien emen e
pequeño como pa a que el ec o ob enido se conside e sa is ac o io en é minos de
comp esión
Además de es as ca ac e ís icas, en la adap ación del algo i mo ACBM pa a su u ilización en
es imación de mo imien o con bloques de amaño a iable, se ha es udiado la ecuencia con
la que los es ánda es H.263 y H.264/AVC u ilizan las di e en es opologías de bloque. Pa a
ello, y pues o que el es ánda H.264/AVC con empla un mayo núme o de posibilidades en
cuan o a los amaños y o mas de bloque, se ha analizado la p obabilidad de que un
mac obloque ipo
INTER
sea codi icado haciendo uso de un pa ón de e minado. En
pa icula , se ha u ilizado un codi icado H.264/AVC en su pe ilbásico (basehep o le) con
las secuencias de es udio mues eadas a 10 o og amas po segundo, empleando en la
es imación de mo imien o el algo i mo de búsqueda exhaus i a con un á ea de búsqueda de
31x31 píxeles. Los esul ados ob enidos se mues an en las g á icas de la Figu a 3.27,
ep esen ándose en el eje izquie do el po cen aje de mac obloques que han sido codi icados
con una única pa ición (16x16) y en el eje de echo la asa de ansmisión ob enida en la
codi icación de la secuencia con el escalón de cuan i icación seleccionado.
ac i idad espacial, en los que sólo es necesa io e alua un núme o educido de candida os,
siemp e y cuando se ga an ice que el ec o de mo imien o esul an e sea cohe en e con
espec o a los de los mac obloques ecinos, pues de lo con a io, se inc emen a ía el núme o
de bi s
R,,,,.
A aíz de las conclusiones ex aídas, se ha p opues o una e apa de pos -p ocesamien o de
ec o es de mo imien o que pe mi e aumen a lige amen e las p es aciones de comp esión
ob enidas median e el algo i mo de búsqueda exhaus i a pa a cualquie ipo de secuencia.
Es a e apa de pos -p ocesamien o esul a de u ilidad en es imado es de mo imien o po
búsqueda exhaus i a, pues pe mi e ob ene un conjun o de ec o es de mo imien o que
ep oducen de mane a más idedigna el mo imien o eal en la escena, co igiendo los de ec os
del algo i mo exhaus i o en zonas de baja ac i idad espacial. De es a mane a, se ob ienen
bene icios en aplicaciones complemen a ias al p oceso de decodi icación, ales como
co ección de e o es, anscodi icación, o aumen o de la esolución espacio- empo al de la
secuencia de ídeo comp imida.
L
0
-
Con el obje i o de ob ene una solución de cos e compu acional educido, se ha p opues o el
m
m
0
-
algo i mo ACBM. En es e algo i mo se in oduce una cons an e adap a i a que, al depende
di ec amen e del alo del escalón de cuan i icación
Q,
pe mi e es ablece un comp omiso
en e el cos e compu acional y el ni el de comp esión. Los esul ados ob enidos demues an
que el algo i mo ACBM, e aluando un núme o de posiciones signi ica i amen e meno , es
capaz de ob ene unas p es aciones de comp esión iguales a las o ecidas po el algo i mo de
búsqueda exhaus i a pa a odo el ango de alo es posibles de
Q,
con secuencias de muy
di e en es ca ac e ís icas espaciales y asas de mues e0 empo al (desde
5
has a
30
o og amas po segundo). Asimismo, se han in oducido un conjun o de modi icaciones en el
algo i mo ACBM que acili a án en g an medida su pos e io implemen ación ha dwa e, sin
que es o conlle e una deg adación de sus p es aciones. Dicha implemen ación es abo dada en

3
P opues as algo í micas de es imación de mo imien o adap a i a
el siguien e capí ulo, in oduciéndose du an e su desa ollo las apo aciones a qui ec u ales
de es a Tesis.
Po úl imo, se ha p opues o un nue o algo i mo denominado VBS-ACBM
(Va iable Block
Ske- Adap i e Cos Block Ma ching)
pa a es ánda es con es imación de mo imien o con
bloques de amaño a iable, incluyendo el es ánda H.264/AVC con sus sie e modos de
es imación de mo imien o. Al conse a las ca ac e ís icas del algo i mo ACBM
an e io men e mencionadas, el nue o algo i mo VBS-ACBM ep esen a una impo an e
con ibución en el á ea de la es imación de mo imien o adap a i a, al elimina las de iciencias
encon adas en abajos p e ios ga an izando, a la misma ez, unas p es aciones de
comp esión óp imas pa a odo ipo de secuencias.
A qui ec u as
mul ies ánda de
es imación de
mo imien o adap a i a
En el capí ulo an e io se ha demos ado que el algo i mo VBS-ACBM apo ado
ep esen a, median e la adap ación del es ue zo compu acional a las ca ac e lj icas
espacio- empo ales de la secuencia a comp imi , una e icaz solución pa a ealiza la
es imación de mo imien o en codi icado es híb dos que pe mi an el uso de ec o es
de mo imien o mul hodo. Sin emba go, pa a su u ilización en aplicaciones con
es icciones de uncionamien o en iempo eal, es necesa io apo a nue as
soluciones a qui ec u ales adecuadas a la hplemen ación del p oceso de es imación
de mo imien o según las di ec ices delalgo i mo VBS-ACBM de mane a e icien e.
4
A qui ec u as mul ies ánda de es imación de mo imien o adap a i a
En es e capí ulo se p oponen nue as soluciones a qui ec u ales adap adas al
algo i mo VBS-ACBM median e la di isión del cálculo de ec o es de mo imien o en
dos p ocesos: es imación de mo imien o con p ecisión en e a ypos e io e inamien o
sub-plí el. As/; en es a Tesis se p opone una nue a a qui ec u a unidimensional
ag upada de es imación de mo imien o con p ecisión en e a median e búsqueda
p edic i a/exhaus i a, que pe mi e ob ene los ec o es de mo imien o
co espondien es a un mac obloque de acue do al es ánda H.264/A VC
y,
po
de ec o, los ec o es demandados po cualquie a de los es ánda es an e io es.
Asimismo, se p opone en es a Tesis una nue a a qui ec u a unidimensional no
ag upada de e inamien o sub-plí el Dicha a qui ec u a pe mi e calcula los ec o es
de mo imien o de acue do a lo es ablecido po los es ánda es H.263
y
H.264/A VC
e inando en cada caso, bien
5
ec o es de mo imien o a coo denadas de medio plí el
median e h e polación bilineal, o bien 41 ec o es de mo imien o a coo denadas de
cua o de plí el median e ecuaciones especí icas de
in e pelación,
espec i amen e.
Pa a ambas a qui ec u as p opues as se ob ienen mejo as signi ica i as con espec o
a abajos p edeceso es ecien emen e publicados.
4.1
In oducción
Du an e los úl imos años se han p opues o nume osas a qui ec u as de es imación de
mo imien o que pe siguen, como obje i o p incipal, calcula en iempo eal los ec o es de
mo imien o co espondien es a una de e minada secuencia de ídeo bajo los equisi os
es ablecidos po un es ánda de comp esión especí ico. Pa a ello, di e sos au o es han
p opues o el uso de a qui ec u as sis ólicas, an o pa a la ob ención de ec o es de
mo imien o de p ecisión en e a (p ecisión de píxel) como pa a el pos e io e inamien o de
és os a coo denadas sub-píxel (p ecisión de medio píxel y, en meno medida, cua o de píxel).
Es as a qui ec u as han sido analizadas en el capí ulo 2 de es a Tesis, de allándose con
especial én asis las de iciencias encon adas en a qui ec u as adap a i as y/o capaces de
cumpli con los es ic os eque imien os del es ánda H.264/AVC.
La p opues a a qui ec u a1 apo ada en es a Tesis ealiza el p oceso de es imación de
mo imien o según las di ec ices de inidas po el algo i mo VBS-ACBM expues o en el
capí ulo an e io . Es a a qui ec u a es capaz de ob ene ec o es de mo imien o a pa i de
esquemas p edic i os y/o median e búsqueda exhaus i a con p ecisión de medio y cua o de
píxel. Asimismo, en el caso de aplica se búsqueda exhaus i a, la a qui ec u a p opues a
pe mi e ob ene ec o es de mo imien o pa a cualquie a de los sie e modos de es imación de
mo imien o de inidos po el es ánda H.264/AVC, den o de los cuales se encuen an los
modos especí icos de cualquie es ánda an e io a és e, lo que con ie e la a qui ec u a
p opues a en mul ies ánda . Pa a log a es e obje i o de mane a e icien e, y con el obje i o
de cub i las ca encias de ec adas en abajos p e ios, se ha es udiado en es a Tesis un
conjun o de no edosas es a egias independien es de la capacidad de adap ación o ecida po
el algo i mo VBS-ACBM. Dichas es a egias, cuya inco po ación en la a qui ec u a
p opues a en es a Tesis se desc ibi á en de alle du an e es e capí ulo, se de allan a
con inuación:
4
A qui ec u as mul ies ánda de es imación de mo imien o adap a i a
A)
Mecanismos de eliminación emp ana de candida os en a qui ec u as mul imodo.
El
p oceso del cálculo del SAD co espondien e a un de e minado ec o de mo imien o puede
se de enido si el alo acumulado has a ese momen o es mayo que el SAD mínimo
p o isional. Los bene icios ob enidos median e es a écnica, así como sus implicaciones
a qui ec u ales, han sido es udiados po o os au o es pa a a qui ec u as basadas en
es ánda es de opología ga [DY98], [SouSS], [SRSS], [LTC04], [DRS05].
En a qui ec u as de es imación de mo imien o de p ecisión en e a pa a opología de
mac obloque se ob iene una educción media en el consumo de po encia de en e un 50% y
un 65% en a qui ec u as sis ólicas unidimensionales [SRSS], [LTC04] y de en e un 20% y un
40% en a qui ec u as sis ólicas bidimensionales [DY98], [SouSS], mien as que pa a las
a qui ec u as ípicas de e inamien o de medio píxel el po cen aje de educción es de un 20%
[DRS05]. Sin emba go, y a pesa de la decidida apues a den o de los es ánda es de
comp esión de ídeo po el uso de e apas de es imación de mo imien o de opología de
bloque a iable, no exis e ningún abajo en la bibliog a ía disponible ace ca del uso de los
mencionados mecanismos de eliminación de candida os en a qui ec u as mul imodo.
En es e capí ulo se p opone una a qui ec u a de es imación de mo imien o con capacidad de
eliminación emp ana de candida os an o du an e la es imación con p ecisión en e a como
en el pos e io e inamien o a coo denadas sub-píxel, espe ando los equisi os es ablecidos
po los es ánda es H.263 y H.264/AVC en cuan o al uso de bloques de amaño a iable y
p ecisión de los ec o es. Asimismo, se in es iga po p ime a ez si las écnicas de eliminación
emp ana de candida os son igualmen e e ec i as, en é minos de ciclos inac i os y cos e
ha dwa e asociado, pa a a qui ec u as de es imación de mo imien o con opología a iable.
8)
Elección lexible del núme o de modos
y
p ecisión de los ec o es de mo imien o po
mac obloque.
de es imaciói
1261
Los es ánda es de comp esión de ídeo de inen un núme o máximo de modos
I
de mo imien o, así como una p ecisión máxima pa a los ec o es de

mo imien o de cada mac obloque. Median e el es udio de las ca ac e ís icas de la secuencia
de ídeo a codi ica puede educi se en el codi icado el núme o de modos a e alua , así como
la p ecisión de los ec o es de mo imien o, sin pé didas ap eciables en los ni eles de
comp esión, al
y
como demues an los abajos e e enciados en la pa e inal del apa ado
2.3.2.2
de es a Tesis. Es e hecho no es conside ado po las a qui ec u as de es imación de
mo imien o publicadas has a la echa, en las cuales siemp e se ealiza la es imación de
mo imien o pa a un núme o de modos
y
una p ecisión en los ec o es de mo imien o
cons an es
En es e capí ulo se in es iga, sob e la base de la a qui ec u a p opues a, los bene icios
a qui ec u ales de i ados de conside a una o al lexibilidad en el núme o de modos de
es imación de mo imien o
y
en la p ecisión de los ec o es de mo imien o po mac obloque.
C) Ag upación de elemen os de p oceso.
En los abajos p e ios a es a Tesis no se han
es udiado las implicaciones que esul an de la mane a en que se ag upan los elemen os de
p oceso en una a qui ec u a de es imación de mo imien o.
En es e capí ulo se es udian dichos e ec os en é minos a qui ec u ales que, como
consecuencia de lo es ablecido en los dos pun os an e io es, esul an se o almen e
no edosos en el ámbi o de las a qui ec u as de es imación de mo imien o mul imodo.
A
lo la go del p esen e capí ulo se de allan los es udios ealizados en elación con es os
aspec os, an o en el p oceso de es imación de mo imien o con p ecisión en e a como en el
de e inamien o de ec o es de mo imien o a coo denadas sub-píxel, mos ándose las
con ibuciones p opias de es a Tesis den o de ambos ámbi os.
4
A qui ec u as mul ies ánda de es imación de mo imien o adap a i a
4.2
Ca ac e ís icas gene ales de la a qui ec u a p opues a
La es uc u a a ni el de módulos uncionales de la a qui ec u a p opues a en es a Tesis
Doc o al pa a la es imación de mo imien o según el algo i mo
VBS-ACBM
se mues a de
o ma esquemá ica en la Figu a 4.1
Memona de
1uminancia del
o og ama
ac ual
Memo ia de
1uminancia del
oiog ama
ecupe ado
Figu a
4.1
:
Esquema
gene al
de
la
a qui ec u a
p opues a
pa a
la
es imación
de
mo imien o
según
el algo i mo
VBS-ACBM.
Tal y como puede deduci se a pa i de la Figu a 4.1, la a qui ec u a p opues a cons a de dos
módulos a qui ec u ales cla amen e di e enciados:
1.
Mddulo de es imación de mo imien o con p ecisión en e a. El módulo de es imación
de mo imien o con p ecisión en e a p opues o en es a Tesis calcula los ec o es de
mo imien o con p ecisión en e a median e búsqueda p edic i a o exhaus i a. El ipo
de búsqueda depende á de si la es imación se es á ealizando po p ime a ez pa a un
nue o mac obloque o, si po el con a io, ya se ha ealizado una p ime a es imación
p edic i a pe o el ec o ob enido no es sa is ac o io en los é minos es ablecidos po
4.2
Ca ac e ís cas
gene ales
de
a
a qu ec u a p opues a
4
el algo i mo VBS-ACBM p opues o. En el caso de ealiza se la búsqueda exhaus i a,
es e p oceso se ealiza á sólo pa a aquellos modos que sea necesa io
y
que en el
con ex o de es a Tesis se denominan
modos
ac i os
Es a condición, al
y
como se
indicó an e io men e, ep esen a una no edad con espec o a las a qui ec u as de
búsqueda exhaus i a p eceden es
y
ha sido in oducida con el obje i o de es udia los
posibles bene icios a qui ec u ales asociados a ella, así como p opo ciona una
adap ación o al de la a qui ec u a al es ánda en uso. En cualquie caso, es e módulo
es capaz de ob ene los ec o es de mo imien o pa a los sie e modos de inidos po el
es ánda H.264/AVC
y
po lo an o, pa a cualquie a de sus es ánda es p edeceso es.
2.
Módulo de e inamien o sub-plxel.
A pa i de las coo denadas de los ec o es de
mo imien o con p ecisión de píxel calculados po el módulo de es imación de
mo imien o con p ecisión en e a, el módulo de e inamien o sub-píxel se enca ga de
e ina dichos ec o es, ob eniendo el mismo núme o de ec o es en coo denadas de
cua o de píxel. Es impo an e des aca que, omando como e e encia el es ánda
H.264/AVC, el e inamien o de ec o es de mo imien o a coo denadas de cua o de
píxel supone un 45% del es ue zo compu acional medio del p oceso de es imación de
mo imien o, p opo cionando una mejo a en la calidad de la secuencia de 4 dBs de
media pa a una misma asa de ansmisión [CHC04b]. Sin emba go,
y
a pesa de
es os ele an es núme os, las apo aciones algo í micas
y
a qui ec u ales ealizadas
en el ma co del e inamien o de ec o es de mo imien o en la bibliog a ía ecien e son
p ác icamen e inexis en es cuando se compa an con los abajos elacionados con la
es imación de mo imien o con p ecisión en e a. Pa a ealiza es e p oceso de mane a
e icien e, el módulo de e inamien o p opues o en es a Tesis es á compues o po dos
sub-módulos:
4
A qui ec u as mul ies ánda de es imación de mo imien o adap a i a
Sub-modulo de e inamien o de medio plxel. A pa i de las posiciones
apun adas po los ec o es de mo imien o p opo cionados po el módulo de
es imación de mo imien o con p ecisión en e a, es e sub-módulo ealiza el
e inamien o de los ec o es ecibidos a coo denadas de medio píxel. Pa a ello,
después de comple a una p ime a e apa en la que se calculan los alo es de
las posiciones de medio píxel necesa ias, se ealiza el e inamien o
p opiamen e dicho median e la inspección de ocho posiciones de medio píxel
si uadas al ededo de la posición con p ecisión en e a apun ada. De nue o,
es e p oceso sólo se ealiza á pa a aquellos modos que hayan sido ac i ados,
de acue do a los ec o es calculados po el módulo de es imación de
mo imien o con p ecisión en e a. Asimismo, es e p oceso sólo se ealiza á si el
es ánda lo equie e, o lo que es lo mismo, si pe mi e ealiza la compensación
de mo imien o en coo denadas de medio píxel.
Sub-mbdulo de e inamien o de cua o plxel. Es e sub-módulo es análogo al
de e inamien o de medio píxel, con la sal edad de que el e inamien o se
p oduce median e la inspección de ocho posiciones de cua o de píxel
al ededo del conjun o de ec o es de medio píxel.
Tal y como se puede deduci a pa i de las ca ac e ís icas desc i as, de las es g andes
no edades in oducidas po el es ánda H.264/AVC en cuan o al p oceso de es imación de
mo imien o se e ie e
[WSB+03],
la a qui ec u a p opues a en es a Tesis abo da de mane a
implíci a dos de ellas
-
es imación de mo imien o pa a bloques de opología a iable y
p ecisión de has a cua o de píxel
-,
no abo dando la es imación de mo imien o
mul i o og ama. Es e hecho se debe undamen almen e a las azones siguien es:
En p ime luga , la a qui ec u a p opues a es absolu amen e anspa en econ espec o a los
o og amas u ilizados pa a la es imación de mo imien o. Tal y como se de alla á
pos e io men e, la a qui ec u a comple a el p oceso de es imación de mo imien o a pa i de
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Secuencias de ídeo
u ilizadas
En es e anexo se esumen las p incipales ca ac e lj icas espaciales
y
empo ales de las
secuencias de ídeo u ikadas en es a Tesis Doc o al.

A
Secuencias de ídeo u ilizadas
A.1
Ca ac e ís icas de las secuencias de ídeo u ilizadas
En es a Tesis se han u ilizado nume osas secuencias de ídeo en o ma o QClF
(Qua e
Common In e media e Fo ma ,
176x144
píxeles) pa a e alua las p es aciones de los
algo i mos
y
a qui ec u as p opues as.
A
lo la go de la Tesis, se mues an al e na i amen e
esul ados ob enidos con las secuencias cuyas ca ac e ís icas se esumen en la Tabla
A.1
TABLE
(300 o og amas)
DEADLINE
1375 o og amas)
FOREMAN
(400 o og amas)
Miss
AMERICA
(1 50 o og amas)
PAMPHLET
(300 o og amas)
SUZlE
(40 o og amas)
COASTGUARD
(100 o og amas)
G an can idad de mo imien o en obje os de di e en es amaños
Exis encia de cambios de con ex o y di e en es en oques (zoom)
No
exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con g an can idad de ex u as he e ogéneas
Poco mo imien o limi ado al obje o cen al de la secuencia
No
exis en cambios ni en el con ex o ni en el en oque
No
exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con g an can idad de ex u as he e ogéneas
G an can idad de mo imien o, con muy di e en es sen idos y elocidades
Exis encia de cambios de con ex o sin di e en es en oques
Exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con g an can idad de ex u as homogéneas
Poco mo imien o limi ado al obje o cen al de la secuencia
No
exis en cambios ni en el con ex o ni en el en oque
No
exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con mezcla de ex u as homogéneas y he e ogéneas
G an can idad de mo imien o, con muy di e en es sen idos y elocidades
Exis encia de cambios de con ex o sin di e en es en oques
No
exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con mezcla de ex u as homogéneas y he e ogéneas
G an can idad de mo imien o, con muy di e en es sen idos y elocidades
No
exis en cambios ni en el con ex o ni en el en oque
No
exis e mo imien o de cáma a
Secuencia con g an can idad de ex u as homogéneas
Poca can idad de mo imien o, exclusi amen e en sen ido ho izon al
No
exis en cambios ni en el con ex o ni en el en oque
Exis e mo imien o de cáma a
Tabla
A.
I
:
Ca ac e ís icas espaciales
y
empo ales
de
las
secuencias
de
ídeo u ilizadas.
A
Secuencias de ideo u ilizadas