H.264帧间编码快速算法研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 17 4 11.74MB 84 页 15积分
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H.264 作为目前最新的视频编码标准,以其优异的压缩性能和良好的网络适
应性,越来越多地被使用在各种应用场合。相比其它视频编码标准,H.264 的优越
性表现突出,但同时编码复杂度也相应提高很多,其中的运动估计与编码模式
择部分是耗时较多的模块,提高这两个模块的编码速度对于编码器总体速度的
升有很大帮助。
本文主要针对帧间编码的运动估计与模式选择模块进行了研。运动估计部
H.264 JM UMHexagonS EPZS
进行了详细的分析,归纳出两种算法的优缺点,然后针对 UMHexagonS 算法的复
杂搜索模板及搜索步骤提出改进的基于方向的菱形-T 形搜索算法:根据当前搜索
起点与上一步搜索起点的相对位置关系决定下一步搜索的模板及方向。分析了
数像素运动估计的必要性,并提出了基于 CBFPS 的改进算法,将 16×8 8×16
加入改进的快速搜索算法中,并且对 16×16 块也采用了复杂度较小的快速算法。
实验JM 采用进的像素
证图像质量及编码比特率上升不太明显的情况下,运动估计速度分别大约提高
40%18%
帧间编码模式选择部分,详细分析了 H.264 中的全模式选择算法及其它几种
快速模式选择算法,然后基于各种视频序列的先验模式分布统计出改进的快速
模式选择算法。改进算法在对各种编码模式进行率失真计算前采零块判断
前终止策略,首先判断可能性较大的模式,跳过不必要的不可能或可能性极小
模式。通过实验与 JM 中采用的算法进行比较,改进算法同样在保证图像质量及比
特率的同时提高了大约 36%的编码速度。
关键词:H.264 帧间编码 运动估计 模式选择
ABSTRACT
As the latest video coding standard, H.264, with its superior compression
performance and excellent network adaptability, is increasingly being used in a variety
of applications. Compared to other video coding standard, while having great
performances, the encoding complexity of H.264 has been increased a lot, where the
models of motion estimation and coding mode selection are more time-consuming.
Therefore, to improve the encoding speed of these two modules will much help to speed
the encoder.
In this paper, the inter-frame motion estimation and mode selection modules have
been studied. After researching the interger motion estimation search algorithm
UMHexagonS and EPZS in JM of H.264, and summarizing their advantages and
disadvantages, a improved fast algorithm, Direction Based Diamond-T Search
(DBDTS), is proposed to reduce the complex templets of UMHexagonS: according to
the relative position between center searching point and the one of previous searching
step, the searching template and direction of next step can be selected adaptively. Based
on detailed analysis of the necessity of fractional-pixel motion estimation, a novel
algorithm is proposed based on CBFPS: Join the 16×8 and 8×16 blocks to the improved
Quickly-Search algorithm, and the 16×16 macroblock can use the fast algrithom which
has smaller complexity. Experimental results show that, compared with algorithm in
JM, the proposed interger-pel and fraction-pel motion estimation algorithms efficiently
reduce the time of motion estimation (by about 40% and 18 %) with minimal loss in
bitrate and reconstructed quality.
Inter-frame mode decision part, after detailed analysis of the full mode decision
algorithm in H.264, and several other fast mode decision algorithms, an improved fast
mode decision algorithm is proposed based on statistics of modes. In improved
algorithm, before the processing of rate-distortion, early terminal strategy is used to skip
those unnecessary impossible modes, and to select these possible modes. The proposed
mode decision algorithm speeds up about 36% in ensuring the same image quality and a
littile bit rate increasing.
Key Word: H.264, inter-frame coding, motion estimation, mode
decision
目 录
ABSTRACT
第一章 .....................................................................................................................1
§1.1 引言...................................................................................................................1
§1.2 研究目的及意义...............................................................................................1
§1.3 研究背景...........................................................................................................2
§1.3.1 视频压缩编码标准的特点....................................................................3
§1.3.2 两大视频压缩编码标准体系的比较....................................................3
§1.4 主要工作及内容安排.......................................................................................4
第二章 H.264 视频编码标准介绍...................................................................................5
§2.1 引言...................................................................................................................5
§2.2 H.264 视频编码标准概述................................................................................5
§2.2.1 H.264 标准的特点.................................................................................6
§2.2.2 H.264 标准框架.....................................................................................7
§2.3 H.264 视频编码标准关键技术........................................................................9
§2.3.1 帧内预测编码........................................................................................9
§2.3.2 帧间预测编码......................................................................................10
§2.3.3 整数变换和量化..................................................................................11
§2.3.4 熵编码..................................................................................................15
§2.3.5 码率控制..............................................................................................16
§2.4 H.264 帧间编码算法特点..............................................................................17
§2.4.1 树状结构运动补偿..............................................................................18
§2.4.2 高精度运动补偿及内插......................................................................19
§2.4.3 多参考帧预测......................................................................................20
§2.5 本章小结.........................................................................................................21
第三章 整像素运动估计研究........................................................................................23
§3.1 引言.................................................................................................................23
§3.1.1 基于块的运动估计匹配准则..............................................................24
§3.2 基于块的快速运动估计搜索算法.................................................................25
§3.2.1 传统搜索算法分析..............................................................................25
§3.2.2 基于块的快速搜索算法......................................................................26
§3.3 JM 中整像素运动估计算法...........................................................................27
§3.3.1 UMHexagonS 算法..............................................................................28
§3.3.2 EPZS 算法............................................................................................30
§3.4 基于方向预测的菱形-T 形搜索(DBDTS)算法.............................................32
§3.4.1 DBDTS 搜索模板................................................................................32
§3.4.2 DBDTS 搜索步骤................................................................................33
§3.5 实验结果与分析.............................................................................................34
§3.5.1 实验结果..............................................................................................34
§3.5.2 性能分析..............................................................................................38
§3.6 结论.................................................................................................................39
第四章 分数像素运动估计研究....................................................................................41
§4.1 引言.................................................................................................................41
§4.2 分数像素运动估计快速算法.........................................................................41
§4.2.1 逐级分数像素全搜索算法..................................................................42
§4.2.2 基于抛物面预测的分数像素搜索(PPFPS)算法................................43
§4.2.3 偏向中心的分数像素搜索(CBFPS)算法...........................................45
§4.3 改进的快速分数像素搜索算法.....................................................................47
§4.3.1 起点预测..............................................................................................47
§4.3.2 提前终止策略......................................................................................48
§4.3.3 快速搜索算法..............................................................................49
§4.4 实验结果与分析.............................................................................................56
§4..4.1 实验条件及测试标准.........................................................................56
§4.4.2 实验结果..............................................................................................57
§4.5 本章小结.........................................................................................................61
帧间模式选择算法研究....................................................................................63
§5.1 引言.................................................................................................................63
§5.2 H.264 基于率失真优化的全模式选择算法..................................................64
§5.2.1 视频编码的率失真优化..............................................................64
§5.2.2 拉格朗日率失真优化算法..................................................................64
§5.2.3 编码模式的率失真优化......................................................................65
§5.3 快速帧间模式选择算法.................................................................................66
§5.3.1 快速帧间模式选择算法基本思路......................................................66
§5.3.2 基于先验统计的快速模式选择..........................................................67
§5.3.3 基于 DCT 变换的空域快速模式选择算法........................................67
§5.3.4 基于 MBD(宏差值)的时快速模式选择算法........................................68
§5.4 改进的快速模式选择算法.............................................................................69
§5.4.1 帧间编码模式分布统计......................................................................69
§5.4.2 基于 DCT 变换的 SKIP 模式早期判断..............................................72
§5.4.3 帧间模式提前终止过......................................................................74
§5.4.4 算法步骤..............................................................................................75
§5.5 算法性能测试.................................................................................................76
§5.5.1 实验结果..............................................................................................76
§5.5.2 性能分析..............................................................................................78
§5.6 本章小结.........................................................................................................79
结论与展望........................................................................................................81
参考文.........................................................................................................................83
读期公开发表的论文和承担科目及取得成.............................................87
致 谢.............................................................................................................................89
第一章 绪论
第一章
§1.1 引言
随着科学技术的进步,特别技术发展人们
达信息的形式已经从语音、逐步为图像与视频这样的视觉信息视频
是多信息中一常重要的组成分。与文听觉信息比,信息
有以下优点:确切性,同样的内由听种不同方获取信息
是不同的,后然比易确,不易发生误;直,同样内
通过图像获取声音或文字更为形直观印象深刻解;性,
于视官具有较高的可在间内,通过视受到
声音信息更丰出文字描述能信息广觉得
满足多种应用要如广播电视频存储、宽带视频实时通信、网络的
业务等
H.264 作为当前视频编码的最新标准,逐步为人们普遍接受
各方应用采纳。H.264 标准获得了比 H.263 好的压缩性能:加了对各种信道
的适应能,采网络的结构和,有于对码和丢包理;
用目同速析度以及不同输(存储合的
§1.2 研究目的及意义
在相同的重建图像质量下,H.264 H.263 50%左右的码率。但 H.264
优越性能是以计算复杂度的,编码复杂度大约相当于 H.263 3
码复杂度大约相当于 H.263 2。其中,H.264 标准中帧间压缩编码技术采用
多参考帧预测与可变块尺寸运动估计,运动量估计1/2 精度提高1/4 精度,
必然大量视频数据,是器实现的现有
硬件处理速度带宽,实频编码,视频码帧
技术硬件实现决的问题
H.264 编码算法中,运动量的搜索是运算量最大的模块,整像素搜索
与分数像素搜索两部分,整像素运动搜索快速算法域已经取较多
研究果,但要适应 H.264 标准的实时应用要改进很多;而整像素快速算法
的不断发展也使分数像素运动搜索算法的研究必不可另外H.264 标准中帧
间编码模式的选择算法在很影响码器的速度,帧间预测
16×16 像素4种方式进行其中的 8×8 可以进一步
块,要进行运动估计ME与运动补偿
MC,这样,能编码质量的情况下快速块的预测分
大大降低帧间预测的复杂度。
本文以 H.264 帧间编码算法为研究对,针对帧间编码速度比较大的运
JMJoint
Model为测试模型,验证算法的有性。
1
H.264 帧间编码快速算法研究与实现
§1.3 研究背景
信息技术,使人们获取理信息更为容
量的爆炸增长也使有的信道资源出现瓶颈种多
的压缩编码技术则信息的关键,一的压缩编码
标准已成为工业界的一个极为迫切需求。与同时,50 年代起,数据压缩
开始发展80 年代,基本形了以预测编码变换编码和统计编码
三大经典编码技术频压缩编码技术体系,经达用化阶段
是在这样的前提下,国际标准化组织(ISO际电信联盟(ITU)等
大标准化组织动,先后针对不同应用目的的多个系列的频压缩编
国际标准,其中最具代表性的是 ITU-T H.26X 系列视频编码标准,
H.261H.262H.263H.263+H.263++H.264ISO/IEC MPEG
视频压缩编码标准,包括 MPEG -1MPEG -2 MPEG -41-1 [1]
1-1 ITUISO-IEC制定的多体压缩编码标准
标准名称 发布时间 主要用
H.261 ITU-T 1990 ISDN 视频会议、可视电话
MPEG-1 ISO/IEC 1993 CD-ROM、消费视频视频记录
MPEG-
2(H.262) ISO/IEC 1995 SDTVHDTVDVD视频广播
H.263 ITU-T 1996 可视电话、移动可视电话、网络视频
H.263+ ITU-T 1998 可视电话、移动可视电话、网络视频
H.263++ ITU-T 2002 可视电话、移动可视电话、网络视频
MPEG-4 ISO-IEC 2000 Internet、交互视频视频内容管理
H.264 ITU-T 2003 网络视频、无线移动视频
§1.3.1 视频压缩编码标准的特点
论是 ITU-T H.26X 系列标准ISO/IEC MPEG 系列标准,作为面向
信息产业的两个越来越人们接受的标准体系,国际标准
比较,有以下几方面特点:
1标准的演绎性。相对于传统产业评价性目标的标准体系,以上两个
标准体系往超前于当时最先进的技术
发展充裕自由,并与相业集团紧密联系,使技术标准相关
发展
2标准的通用性。传统产业的标准往往与特定的应用领域紧密相关,多
频编例如 H.264 准中profile/level
的参考模型,适用于各种不同要的场合。
2
第一章 绪论
3标准的开放性。以上两种编码标准通有三部分组成:压缩编码系统的体
系结构,整的视频压缩数据结构则和通用器算。但标准
中并对视频编码系统中体的实现方法定。
§1.3.2 两大视频压缩编码标准体系的比较
作为权威的多视频压缩编码标准体系H.26X 列和 MPEG 系列
及的技术及基本框架大体相同,但ITU ISO 两大标准化组织
背景、发标及应用围等方面的不同,使大标准化于不同的
的相制定标准在制定标准的中也进行了多作,
论是在相整的体系结构应用系统目标以及技术展环都存
一定异。
MPEG 系列标准在体系结构系统化,其标涵盖了整个多系统的各
层子系统便的应用体在应用模式上更具开放性和延伸
体技术方面,更注重应用面上各种能的加。
H.26X 系列标准在体系结构上更具有针对性,于数视频压缩编码及网
络适系统压缩层放在其它标准中处理在应用系统目标上
围绕各种型网信道图在信道资源条件下实现数
的高输;体技展环视频系统中的技术
进一步提高视频压缩的性能。
§1.4 主要工作及内容安排
1/4 使H.264
大提高,用整个系统的编码时间的比大大提高。本文研究的在加
H.264 帧间预测编码的速度上,体研究以下内容:
1整像素运动估计算法
2分数像素快速运动估计算法
3帧间预测模式选择算法。
论文内容安排下:
第一章介绍研究的背景及视频编码标准的概况。
第二章介绍 H.264 视频编码标准的特点及相关关键技术。
第三章为本文对帧间编码关键技术的研究改进,分别论了整数及分
数像素快速运动估计算法和帧间编码模式快速选择算法。
最后对本文进行总结和展望
3
第二章 H.264 视频编码标准介绍
第二章 H.264 视频编码标准介绍
§2.1 引言
沿视频编码标准结构,H.264 合编码的框架结构,加入当前
视频码的最新技术,形极好编码网络适应性的新一准。
本章首先介绍 H.264 的特点及编码框架,然后分析标准采纳的关键技术,最后
详细分析帧间编码的算法特点。
§2.2 H.264 视频编码标准概述
2003 3ITU-T ISO/IEC 出的新视频编国际标准式被
分别为 ITU-T H.264[2]ISO/IEC MPEG.4 Partl0 ISO/IEC MPEG-
4/AVC[3]
H.264 VCEG(video coding
experts group, ITU-T 的视频编码专家)实时性和图像质量方面为其发展
制定了以下要[4]
1码率与图像质量
在相同图像质量的情况下,H.264 标准能够节带宽
2)延时的
H.264 强调在实时的应用,须拥的模式以适应于实
会话。同时,也应能很好地工作在有时延限制的应用中。
3复杂度
H.264 BaselineMain
Profile X Profile 三个以及多个不同级,以适应不同的应用范围
4)差控制
于被大量地用于实时H.264 网络中处理包丢
的工,以及在易误码的无线网络处理比特码工并且
信道崩溃的情况下进行错恢复。
5)语法定义
为了实现简单有序的码流语决方H.264 实现了简单法。同时
与编码会产生失配现
6网络好性
H.264 在系统提出了一个新的概,将整体视频编码数据视频编码
video coding layer, VCLnetwork abstraction layer, NAL
面进行概将视频压缩和网络传能进行有使
H.264 标准能较好地适用于动通信互联网,也能为视频的运供服
5
摘要:

摘要H.264作为目前最新的视频编码标准,以其优异的压缩性能和良好的网络适应性,越来越多地被使用在各种应用场合。相比其它视频编码标准,H.264的优越性表现突出,但同时编码复杂度也相应提高很多,其中的运动估计与编码模式选择部分是耗时较多的模块,提高这两个模块的编码速度对于编码器总体速度的提升有很大帮助。本文主要针对帧间编码的运动估计与模式选择模块进行了研究。运动估计部分,对H.264测试模型JM中的整像素运动估计搜索算法UMHexagonS及EPZS进行了详细的分析,归纳出两种算法的优缺点,然后针对UMHexagonS算法的复杂搜索模板及搜索步骤提出改进的基于方向的菱形-T形搜索算法:根据当前...

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