吳 瓊,袁 靜

摘 要:H.264標(biāo)準(zhǔn)是壓縮率和圖像質(zhì)量方面的關(guān)鍵新技術(shù),研究H.264通過對傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)來進(jìn)一步提高編碼效率和圖像質(zhì)量,給出了基于C代碼的宏塊編碼流程與復(fù)雜度測試,仿真結(jié)果證明H.264具有更高的壓縮比、更好的IP和無線網(wǎng)絡(luò)信道的適應(yīng)性。H.264的高壓縮率是以復(fù)雜度為代價,其復(fù)雜度是以耗時為依據(jù)的。

關(guān)鍵詞:視頻壓縮;H.264標(biāo)準(zhǔn);編碼復(fù)雜度;視頻編碼

中圖分類號:TN919.81文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-060-03

Study on H.264 Standard′s Key Technologies and Its Complexity Test

WU Qiong,YUAN Jing

(Suqian College,Suqian,223800,China)

Abstract:H.264 standard is the key technology about better image compression and image quality based on motion compensation and transform.H.264 uses intra prediction,inter prediction,transforming coding,enhanced entropy coding algorithms to promote the intra encoding efficiency.The macro-block coding based on C and complexity test are presented.Experimental results show that H.264 has higher encoding efficiency,better IP and wireless network adaptability.The complexity of H.264 is on the basis of time cost.

Keywords:video compression;H.264 standard;coding complexity;video coding

0 引 言

H.264 以其良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和高編碼壓縮效率,靈活地語法配置,在視頻處理領(lǐng)域比以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)更加適合視頻處理的發(fā)展方向和不同應(yīng)用環(huán)境的對象。H.264 繼承了H.263 和MPEG 1,2,4視頻編碼協(xié)議的優(yōu)秀之處,充分考慮了多媒體通信對視頻編解碼的各種要求,在保留運動補償和變換編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上,加入了如類離散余弦整數(shù)變換(DCT)、基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長編碼(CAVLC)、基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)等新技術(shù)[1],進(jìn)一步提高了編碼算法的壓縮效率和圖像回放質(zhì)量。在肉眼主觀感受相同情況下,H.264 比H.263 的編碼效率提高了50%左右[2]。

1 圖像質(zhì)量和壓縮率方面的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基于靈活分割宏塊(MB)的運動矢量估計和補償以及增加變換的壓縮效果

H.264信源編碼在運動估計時,可以靈活地選擇塊的大小[3,4]。而其他標(biāo)準(zhǔn),處理的像素塊的大小均為16×16或者8×8。H.264以可變大小的塊來適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和要求,采用16×16,16×8,8×16,8×8四種模式;當(dāng)劃分為8×8模式時,又可進(jìn)一步采用8×4,4×8,4×4三種子宏塊劃分模式進(jìn)一步劃分,如圖1所示。根據(jù)需要由不同尺寸的宏塊來執(zhí)行,可以使運動物體的劃分更加精確,并減小運動物體邊緣的銜接誤差,還可以處理好需要更多運動細(xì)節(jié)的場合,即以更小的運動補償塊的引入可以提高在一般和特殊情況下的預(yù)測質(zhì)量。它可以提高主觀視覺效果,同時又可以減小變換過程中的計算量。實驗表明,應(yīng)用7種不同大小和形狀的塊可以比單一的利用16×16塊進(jìn)行編碼提高15%以上的壓縮率[5,6]。

圖1 宏塊與子宏塊的分解

1.2 支持1/4像素或1/8像素精度的運動估值

在H.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1/2像素位置的預(yù)測值。當(dāng)1/2像素值獲得后,通過取整數(shù)像素位置和1/2像素位置像素值均值的方式獲得1/4像素位置的值。在高碼率情況下,提供1/8像素精度的運動估計。采用高精度運動估計會進(jìn)一步減小幀間預(yù)測誤差,減少了經(jīng)變換和量化后的非0比特數(shù),提高了編碼效率。利用1/4像素空間精度可以比原有的一個像素精度(整數(shù)精度)預(yù)測提高20%的編碼效率[5,7]。

1.3 多參考幀預(yù)測

以往的編解碼技術(shù)在對P幀圖像進(jìn)行幀間預(yù)測時,只允許以參考前一幀圖像進(jìn)行編碼,即以前一個I圖像或P圖像為參考幀,對B圖像進(jìn)行預(yù)測時只允許參考前后幀圖像進(jìn)行編碼,即以前后兩個I圖像或P圖像為參考圖像。H.264則打破了這些限制,允許在從當(dāng)前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像,對宏塊進(jìn)行運動預(yù)測,當(dāng)選用多參考幀模式時,編碼器從幾個參考幀中選擇一個效果最好的參考幀,達(dá)到最佳的預(yù)測效果,參考幀圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測編碼方式的圖像,大幅度降低了預(yù)測誤差。另外幀間編碼部分還引入了SP幀,用于有效地實現(xiàn)變碼率環(huán)境下切換,可用于隨機、快速播放過程。比單參考幀的方法節(jié)省5%～10%的傳碼率[8],并且有利于比特流的錯誤恢復(fù),解碼恢復(fù)更高圖像質(zhì)量。因此,多參考幀預(yù)測對周期性運動和背景切換能夠提供更好的預(yù)測效果。

1.4 消除塊效應(yīng)適應(yīng)性濾波器

基于分塊處理的變換編碼算法,忽略了物體邊緣的連續(xù)性,在低碼率情況下,容易出現(xiàn)方塊效應(yīng)。為消除在預(yù)測和變換過程中引入的塊效應(yīng),H.264對此采用消除塊效應(yīng)適應(yīng)性濾波器,對宏塊邊緣進(jìn)行平滑,有效改進(jìn)圖像主觀質(zhì)量[9]。但與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是,H.264的消除塊效應(yīng)濾波器位于運動估計循環(huán)內(nèi)部,可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像預(yù)測其他圖像的運動,即濾波后宏塊用于運動估計,以產(chǎn)生更小的幀差進(jìn)行編碼,進(jìn)一步提高預(yù)測精度。

1.5 增強的熵編碼

以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼采用變長的哈夫曼編碼,碼表統(tǒng)一,不能適應(yīng)變換多端的視頻內(nèi)容,影響編碼效率[10]。H.264根據(jù)視頻內(nèi)容的不同,利用較短的碼字來代表出現(xiàn)高頻率的符號,可進(jìn)一步去除碼流中的冗余,提供兩種熵編碼,即上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)和基于內(nèi)容的自適應(yīng)可變長編碼(CAVLC)。CABAC的編碼效率更高,也更復(fù)雜,在相同圖像質(zhì)量下,使用CABAC編碼電視信號可降低10%左右(10%～15%)的碼率,后者具有較強抗誤碼能力。

2 基于C代碼的宏塊編碼流程與復(fù)雜度測試

H.264的主要編碼模塊包括幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、DCT變換、熵編碼、去塊效應(yīng)濾波器等,如圖2所示。

圖2 H.264信源編碼模塊

圖2顯示的主要是H.264編碼器的內(nèi)層即宏塊編碼層,主要用來完成核心的運動預(yù)測、4×4整數(shù)變換、量化和熵編碼功能。對一個宏塊進(jìn)行編碼前先要獲得其鄰近已編碼宏塊的信息(像素值、分割方式、運動矢量等)。然后根據(jù)當(dāng)前編碼幀的類型(I幀、P幀、B幀)對宏塊進(jìn)行不同的預(yù)測,將獲得的殘差系數(shù)進(jìn)行變換和量化,量化后的系數(shù)分成兩個方向進(jìn)行處理,一個是送到熵編碼部分進(jìn)行CABAC編碼,另外一個是送入逆量化和逆變換部分,還原出當(dāng)前編碼的宏塊,從而構(gòu)建出和解碼端相同的宏塊。其宏塊編碼層的流程如圖3所示。

圖3 某宏塊編碼層的流程

由于逆量化的粗糙性和運動補償?shù)钠钚?會使逆變換和逆量化后的圖像產(chǎn)生方塊效應(yīng),從而降低圖像的主觀視覺效果。為此,在逆量化之后插入一個去塊濾波過程,通過不同的濾波強度來消除不同程度的方塊效應(yīng)。濾波強度取決于宏塊的預(yù)測方式、量化參數(shù)、運動矢量等。比如量化步長減小時,濾波器的作用也會相應(yīng)降低。

仿真試驗采用基本編碼檔次,2幀參考幀,±16個點作為運動估計的搜索范圍,30個量化等級的條件下,采用CABAC熵編碼算法獲得的復(fù)雜度測試結(jié)果如表1所示。

表1 復(fù)雜度測試結(jié)果

幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測/%整數(shù)變換和量化/%熵編碼CABAC/%去塊效應(yīng)

濾波過程/%

66.94116.17210.5386.349

69.23215.13310.1525.483

68.46516.04510.4934.997

69.11215.37511.1264.387

由測試結(jié)果可以看出,幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測的持續(xù)時間最長,其耗時約為核心模塊總編碼時間的67%左右。其次就是4×4整數(shù)變換和量化過程,耗時約為核心模塊總編碼時間的15%~16%。熵編碼(CABAC)過程所消耗的時間約為核心模塊總編碼時間的10%~11%。消塊濾波過程所占的耗時比例最少,約為4%~6%。測試結(jié)果表明,H.264具有更高的壓縮比、更好的IP和無線網(wǎng)絡(luò)信道的適應(yīng)性,但是H.264的高壓縮率是以其復(fù)雜度為代價的,而復(fù)雜性主要體現(xiàn)在幀間預(yù)測模塊中,因此要加快H.264的編碼速度,就必須對這個模塊進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié) 語

H.264與以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動估計和運動補償、變換和量化、熵編碼等部分均有很大的改進(jìn),具有更高的編碼壓縮效率和適應(yīng)性,但是其在解碼端計算的復(fù)雜度比是H.263和MPEG-4的2～3倍。隨著芯片處理能力的不斷進(jìn)步,H.264的計算復(fù)雜程度在可以接受的范圍之內(nèi)。H.264以其突出的優(yōu)勢,即壓縮編碼的效率和抗誤碼的性能,有效解決了在盡可能低的存儲情況下獲得好的圖像質(zhì)量和低帶寬圖像快速傳輸?shù)碾y題,必然在衛(wèi)星電視轉(zhuǎn)播、移動通信、IP網(wǎng)的多媒體傳輸、無線視頻傳輸?shù)纫曨l通信和視頻存儲領(lǐng)域贏得更好的應(yīng)用和商機。

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