預測幀編碼中基于場景信息的宏塊模式跳過算法

摘 要：在對場景信息進行分析的基礎上，提出了H.264/AVC中預測幀的一種快速算法。對于未發生場景切換的預測幀，采用INTRA模式跳過算法(IMSA)，跳過該幀中所有的INTRA模式的決策過程。對于發生場景切換的預測幀，跳過INTER模式的決策過程(PMSA)。仿真結果顯示，與采用完整的率失真優化(RDO)決策過程相比，未發生場景切換時，所提方法能減少30%－60%的編碼時間；發生場景切換時，能減少60%－70%的編碼時間，并且未導致明顯的圖像質量下降和碼率的增加。

關鍵詞：場景信息; 模式跳過; 預測幀

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0192-02

0 引言

對于最新出現的具有相當復雜性的視頻編碼標準H.264/AVC，在保證編碼效率的前提下提高編碼速度的方法是必需的。到目前為止，有許多關于H.264/AVC運動估計的快速算法［1，2］，文獻[3，4]提出了一些預測模式決策的快速算法。雖然這些算法能夠在一定程度上提高編碼器的速度，但仍不能滿足實際應用。本文著眼于提高預測幀(P幀)的編碼速度，主要貢獻在于保證編碼效率的同時，根據預先對場景切換及運動信息的分析，提出塊跳過算法，簡化率失真決策的過程。

1 基于場景分析的模式跳過算法

1.1 運動狀態分析

宏塊的運動狀態是場景信息中的重要信息之一。注意到現實中的視頻對象大都運動緩慢，甚至大部分背景是靜止的或運動極小。實驗結果顯示，在P幀中，只有0.98%的宏塊使用INTRA模式進行編碼。因此在H.264中，針對INTRA模式進行的率失真優化決策過程事實上都是不必要的。一旦找到穩健的方法，自適應跳過對編碼效率貢獻很小的INTRA模式，則能明顯提高編碼速度。事實上，只有那些對象內容變化較大或者運動速度比較快的宏塊，才有可能使用基于幀內預測INTRA模式進行編碼；否則使用INTER模式進行編碼。如果宏塊的運動矢量能量足夠小時，在進行率失真優化決策時，可以跳過該宏塊的所有INTRA預測模式決策。本算法按照如下方式定義運動矢量的能量：

1.2 P幀中的場景變換檢測

當P幀中發生場景切換時，大部分宏塊使用INTRA模式進行編碼。這是因為在此情況下，該幀與前一幀之間沒有相關性，編碼器無法使用前一幀中不具有相關冗余性的宏塊進行運動補償［5］。如果在開始編碼P幀時檢測到場景切換，則其他的宏塊可以用INTRA模式進行編碼。先定義兩種編碼模式之比：

1.3 模式跳過算法

在進行P幀的編碼時，若式（1）中的Emvd足夠小，則跳過全部INTRA模式的決策(IMSA)。一旦在P幀中檢測到場景切換，則跳過INTER模式決策過程(PMSA)。詳細過程如下：

基于場景切換檢測的PMSA的詳細過程如下：

(1)用前述的IMSA編碼該幀的頭N1個宏塊。

(2)計算式（2）中的Rp并到(3)。

(3)使用已經編碼的N1個宏塊進行場景切換檢測。如果未檢測到場景切換，則繼續使用IMSA編碼后續N2個宏塊，跳轉到(2)直到最后一個宏塊；否則到(4)。

(4)在率失真優化決策過程中，對后續的N3個宏塊跳過INTER模式決策過程，使用INTRA模式進行編碼。

(5)下一個宏塊執行完整的率失真優化過程。如果該宏塊的最終編碼模式是INTRA模式，則跳到(4)；否則到(1)。

在(5）中，重新檢測一個宏塊以增加場景變換檢測的準確性。如果該宏塊是使用INTRA模式編碼，則該場景變換的確已經發生；否則有可能不是完整的場景切換，而只是部分視頻內容的變化，則跳回(1）并使用IMSA編碼剩余宏塊。在這些步驟中，N1、N2、N3是預先根據視頻輸入格式定義的標志每一步編碼的宏塊個數。

2 實驗結果

本文所提方法整合到JVT(聯合視頻組)提供的參考軟件JM8.4中。使用Claire、Foreman等QCIF格式的視頻序列。另外，新構造一個包含100幀含有20個不同場景的新序列命名為Scene。不采用任何快速INTRA或INTER模式選擇算法對這些序列進行編碼。表1是無場景切換序列的實驗結果；表2是有場景切換的幀的實驗結果。Δtime表示編碼時間的變化，表中的數字0代表碼率或者PSNR無改變。圖1是所提算法的率失真情況。結果顯示，與采用完整的率失真優化(RDO)決策過程相比，未發生場景切換時，所提方法能減少30%－60%的編碼時間；發生場景切換時，所提方法能減少60%－70%的編碼時間，并且未導致明顯的圖像質量下降和碼率的增加。

表1 無場景切換視頻序列的編碼結果表2 場景切換幀的編碼結果

3 結束語

為了減少編碼預測幀時的復雜度，本文提出了一種基于運動分析和場景切換的編碼模式跳過算法。實驗結果顯示，在不采用其他任何快速算法和保證編碼效率的前提下，所提方法與JM8.4相比，能大約減少60%的編碼時間。另外，所提方法也可與INTRA或者INTER快速決策算法融合使用。

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