H.264帧内帧间编码优化与应用

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 1.57MB 57 页 15积分

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摘要

视频压缩编码技术发展很快，新的视频编码标准不断推出。最新的 H.265 视

频编码标准已经开始制定，它继承了 H.264 许多优秀的算法。但是 H.265 的计算

复杂度过大，不利于实际应用，目前还处于研究阶段。H.264/AVC 是由 ITU-T VCEG

和 ISO/IEC MPEG 两大标准组织联合制定视频压缩编码标准，目前在实际中已经

广泛使用。对 H.264 的关键技术的分析和优化不仅具有实际的应用价值，还为未

来的视频编码标准的发展提供了参考价值。

本文简要介绍了 H.264 所采用的关键技术，如帧内预测模式选择、帧间预测

模式选择、整数 DCT 变换和量化、熵编码和码率控制等，着重从两个方面来优化

H.264 的视频编解码，一方面是在 H.264 编码端通过优化帧内和帧间预测编码模式

的选择，降低计算复杂度，提高编码效率；另一方面是在 H.264 的解码端，通过

采用错误隐藏的改进算法，降低由于网络丢包产生的视频的图像质量受损，提高

H.264 码流的视频解码质量。本文的主要工作是在三个方面：

(1) 优化 H.264 的帧内预测模式选择。利用宏块空域的相关性，模板纹理方向

和平坦性的预判断相结合的方法，减少帧内候选预测模式。在保证视频质量基本

不变的前提下，帧内编码时间缩短 35%~40%。

(2) 优化 H.264 的帧间预测模式选择。结合 SKIP 模式的预判断和宏块在时域

的相关性等方法，减少帧间候选预测模式。在保证视频质量基本不变的前提下，

帧间编码时间缩短了 50%以上。

(3) 改进了 H.264 解码端的错误隐藏算法。提出根据丢失宏块的不同情况，利

用插值算法恢复丢失宏块的运动矢量，实现错误隐藏。改进的错误隐藏算法与边

界匹配算法相比，图像的恢复质量得到了提高。

关键词：H.264/AVC；帧内/帧间模式选择；错误隐藏

ABSTRACT

With the development of video compression coding technology, more and more

new video coding standards have been introduced. The latest H.265 video coding

standard has started to develop, which inherits the H.264’s many excellent algorithms.

Because of H.265 so large computational complexity, it’s not conducive to practical

application and is still in the research stage. H.264/AVC is a video compression coding

standard which is jointly formulated by ITU-T VCEG and ISO/IEC MPEG standards

organizations, and it has been used widely in practice. The key technical analysis and

optimization of H.264 not only have practical value, but also provide reference valuable

for the development of future video coding standard.

This dissertation briefly introduces the key technologies about H.264, such as

intra-frame model selection, inter-frame model selection, integer DCT transform and

quantization, entropy coding and rate control, mainly optimize H.264 from two aspects,

one hand is that optimization intra-frame and inter-frame mode selection in the H.264

coding side, to reduce the computational complexity and improve coding efficiency; On

the other hand in H.264 decoding side, the improved error hidden algorithms reduce

damage of video image quality due to the network packet loss and improve the video

decoding quality. The main job of this dissertation is in three aspects:

(1) Optimization of H.264 intra-frame model selection. Combine the correlation of

macroblock space domain with template grain direction and flatness of the preliminary

judgment, to reduce intra-frame candidate modes. The video quality has nearly not

declined and intra-frame encoding time reduces 35% to 40%.

(2) Optimization of H.264 inter-frame model selection. Combine the preliminary

judgment of SKIP mode with the correlation of macro block in the time domain, to

reduce the inter-frame candidate modes. The video quality has nearly not declined and

inter-frame encoding time reduces more than 50%.

(3) Optimization of the error concealment algorithm for H.264. According to the

different conditions of the lost macroblock, the interpolation algorithm recover motion

vector of the lost macroblock, and realize error hide. Compared to the boundary

matching algorithm, the improved error concealment algorithm is better.

Key Words: H.264/AVC；Intra/Inter Mode Selection；

Error Concealment

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 研究背景与选题意义. .......................................... 1

1.2 视频编码标准的简介 ........................................... 2

1.3 国内外研究现状 ............................................... 3

1.4 论文的工作与内容安排 ......................................... 5

第二章 H.264 编解码的关键技术分析 ................................... 7

2.1 H.264 系统结构概述 ............................................ 7

2.1.1 H.264 的档次划分 .......................................... 8

2.1.2 H.264 句法元素的分层结构 .................................. 9

2.2 H.264 关键编码技术 ........................................... 10

2.3 H.264 的编解码器结构 ......................................... 15

2.3.1 H.264 的编码器结构 ....................................... 16

2.3.2 H.264 的解码器结构 ....................................... 16

2.4 本章小结 .................................................... 17

第三章 H.264 帧内和帧间预测模式选择的改进算法 ...................... 19

3.1 H.264 标准中帧内预测模式选择算法 ............................. 19

3.2 H.264 帧内快速模式选择改进算法 ............................... 22

3.2.1 根据宏块相关性的改进算法 ................................ 22

3.2.2 根据子块纹理方向的改进算法 .............................. 24

3.2.3 根据宏块平坦性的改进算法 ................................ 26

3.2.4 帧内预测模式快速选择算法的具体描述 ...................... 26

3.3 H.264 标准中帧间预测模式选择算法 ............................. 27

3.4 H.264 帧间预测模式选择改进算法 ............................... 28

3.4.1 SKIP 模式的预判断 ........................................ 28

3.4.2 根据时域相关性改进模式选择 .............................. 29

3.4.3 根据帧间宏块分割模式的相关性改进模式选择 ................ 30

3.4.4 帧间预测模式优化算法的具体描述 .......................... 31

3.5 实验结果与分析 .............................................. 33

3.5.1 帧内改进算法实验结果分析 ................................ 33

3.5.2 帧间改进算法实验结果分析 ................................ 35

3.6 本章小结 .................................................... 36

第四章 H.264 中采用错误隐藏的改进算法 .............................. 37

4.1 错误复原方法的概述 .......................................... 37

4.2 两种典型的时域错误隐藏算法 .................................. 40

4.2.1 边界匹配算法 ............................................ 40

4.2.2 拉格朗日插值算法 ........................................ 42

4.3 结合插值方法的改进错误隐藏算法 .............................. 43

4.4 实验结果与分析 .............................................. 48

4.5 本章小结 .................................................... 49

第五章总结与展望 ................................................. 51

5.1 论文工作总结 ................................................ 51

5.2 展望 ........................................................ 51

参考文献 .......................................................... 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 57

一、发表论文 .................................................... 57

二、科研项目 .................................................... 57

致谢 .............................................................. 59

第一章绪论

§1.1 研究背景与选题意义

信息化时代的到来，多媒体技术得到了快速的发展。与数字视频相关的应用

场合也得到了不断拓宽，如视频会议、网络流媒体、数字电视广播、远程监控、

数字视频点播等。视频信息具有直观性、确切性、高效性，应用广泛性以及需要

高带宽传输性等特点，根据统计人类从外界获取信息的 70％都来自视觉，因此视

频信息非常容易被人们所接受。然而，未经压缩处理的原始视频信号的数据量是

非常大的，这对于视频信号的传输带宽和存储空间的要求都是难以满足的。因此

无论是传输还是存储，数字视频信号都必须经过压缩编码才能具有实际的应用意

义，这就使得视频压缩编码技术成为多媒体技术的关键所在，成为越来越重要的

研究领域。

在过去几十年的时间里，国际上已经成功地制定了多种面向不同应用领域的

视频压缩编码标准，从 MPEG1、MPEG2 到MPEG4，从 H.261、H.263 到H.264。

这些视频压缩编码标准都是将视频信号在传输前先进行压缩编码，然后在网络上

进行传送，以节约传送带宽和存储空间。对于视频的压缩编码主要有两个要求：

首先是所采用视频编码器应具有足够的压缩比；其次是压缩传输后的视频流经过

解码后还应保持一定的视频质量。H.264 视频压缩编码标准[1]，与以往任何编码标

准相比，都具有明显的优势，其编码技术先进实用，不仅具有优异的压缩性能，

而且具有良好的网络适应性，使它在多个领域具有广泛的应用前景。

H.264 是由 ISO(国际标准化组织)与ITU(国际电信标准化部门)联合制定的新

一代视频压缩编码标准。它吸收了以往视频编码标准的优点，在视频压缩性能上

得到了很大的提高。H.264 具有较高的压缩率、较好的图像压缩质量以及网络亲

和性，因此在存储和网络传输方面表现优异，但是它的这些优点都是以引入成倍

的计算复杂度为代价。为了最大程度地提高编码效率，在 H.264 编码器中针对多

种不同的预测编码模式，采用了基于全局遍历搜索的算法，循环计算各种模式下

的RDO(Rate DistortionOptimized)代价函数值，比较并选择最小 RDO 代价函数所

对应的编码模式作为最优的编码模式，从而造成 H.264 在算法复杂度和计算量上

急剧增加。因此研究 H.264 视频编码模式的选择算法并对其进行优化以降低其计

算复杂度，从而提高编码速度使其满足实时通信的要求。与此同时，由于网络传

输中各种干扰的存在，会造成丢包现象的发生，从而使视频解码质量下降。因此

在保证视频编码效率的前提下，在 H.264 的解码端还需要进行视频的错误隐藏，

H.264帧内帧间编码优化与应用

从而保证视频的解码质量。在对视频的编码效率和解码视频质量这两个方面的研

究都显得同样的重要，是具有实际意义的。

本文主要是针对上述的 H.264 视频编码端的编码模式的优化，提高编码时间

和在视频的解码端采用错误隐藏的方法，来提高视频的解码质量，这两个方面作

为研究课题。在详细分析了 H.264 视频压缩编码标准算法的基础上，对其关键算

法帧内和帧间预测模式的选择，根据帧内宏块和帧间宏块的一些特性来减少预测

能力较差的预测模式，对其进行优化以在视频质量没有明显下降的情况下，减少

编码时间，提高视频的编码效率。另一方面由于网络传输所产生的丢包问题，会

导致视频解码质量的下降，本文改进了现有的错误隐藏算法，根据丢失宏块的不

同情况，使用插值方法来恢复丢失宏块的运动矢量，实现错误隐藏，改进了视频

的解码质量。综上所述，本文从改善视频的编码效率和解码质量两个方面出发，

使H.264 视频编解码更具有实际应用价值，推动多媒体通信领域的发展与应用。

§1.2 视频编码标准的简介

目前世界上的大多数视频编码标准主要来自于两大标准制定组织，ITU(国际

电信标准化部门)和ISO(国际标准化组织)。其中 ITU 制定了主要应用于实时视频

通信，如可视电话，视频会议的视频压缩标准，例如 H.261，H.263 等。ISO 制定

的视频压缩编码标准主要应用于为视频存储、广播视频和视频流的应用，如

MPEG-1、MPEG-2 和MPEG-4 等。

H.261 是最早实用的视频压缩编码标准，主要是用在 ISDN( Integrated Service

Digital Network)网络上的可视电话和视频会议。它的码率为 k×64Kbps (k=1，2，，，

30)，采用了混合编码技术，包括了基于运动补偿的帧间预测和基于离散余弦变换

的空域变换，量化，zig-zag 扫描和熵编码等。H.263 视频编码标准是对 H.261 的

改进和扩充，主要设计用于低码率(码率低于 64kbits/s)的视频会议。相比于 H.261

采用整像素精度，H.263 的运动补偿则是使用半像素精度。H.263 具有更低的数据

码率和更好的纠错能力，并采用无限制的运动矢量以及基于语法的算术编码。

MPEG-1 是ISO 在1992 年提出的一种音视频压缩编码标准。主要是作为 CD

光碟所使用的的视频和音频压缩格式。采用了块方式的运动补偿，离散余弦变换

(DCT)、量化等技术，压缩后的码率在 1.5Mbps。MPEG-2 可以看做为 MPEG-1

的改进和升级，它的码率可以从 4Mbps 到100Mbps，它主要应用于广播电视和

HDTV 等领域。MPEG-4 是一种适用于低传输速率应用的编码标准，与 MPEG1

和MPEG2 相比，MPEG4 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性[2]。

以上几种视频压缩编码标准虽然应用在不同的领域，除了 MPEG-4 运用了基

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摘要：

摘要视频压缩编码技术发展很快，新的视频编码标准不断推出。最新的H.265视频编码标准已经开始制定，它继承了H.264许多优秀的算法。但是H.265的计算复杂度过大，不利于实际应用，目前还处于研究阶段。H.264/AVC是由ITU-TVCEG和ISO/IECMPEG两大标准组织联合制定视频压缩编码标准，目前在实际中已经广泛使用。对H.264的关键技术的分析和优化不仅具有实际的应用价值，还为未来的视频编码标准的发展提供了参考价值。本文简要介绍了H.264所采用的关键技术，如帧内预测模式选择、帧间预测模式选择、整数DCT变换和量化、熵编码和码率控制等，着重从两个方面来优化H.264的视频编解码，一方...

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