基于H.264視頻編碼的關鍵技術及其復雜度測試

吳 瓊,袁 靜

摘 要:H.264標準是壓縮率和圖像質量方面的關鍵新技術,研究H.264通過對傳統的幀內預測、幀間預測、變換編碼和熵編碼等算法的改進來進一步提高編碼效率和圖像質量,給出了基于C代碼的宏塊編碼流程與復雜度測試,仿真結果證明H.264具有更高的壓縮比、更好的IP和無線網絡信道的適應性。H.264的高壓縮率是以復雜度為代價,其復雜度是以耗時為依據的。

關鍵詞:視頻壓縮;H.264標準;編碼復雜度;視頻編碼

中圖分類號:TN919.81文獻標識碼: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 以其良好的網絡適應性和高編碼壓縮效率,靈活地語法配置,在視頻處理領域比以往的視頻編碼標準更加適合視頻處理的發展方向和不同應用環境的對象。H.264 繼承了H.263 和MPEG 1,2,4視頻編碼協議的優秀之處,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的基礎上,加入了如類離散余弦整數變換(DCT)、基于內容的自適應可變長編碼(CAVLC)、基于上下文的自適應二進制算術編碼(CABAC)等新技術[1],進一步提高了編碼算法的壓縮效率和圖像回放質量。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 圖像質量和壓縮率方面的關鍵技術

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]。而其他標準,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不同應用環境和要求,采用16×16,16×8,8×16,8×8四種模式;當劃分為8×8模式時,又可進一步采用8×4,4×8,4×4三種子宏塊劃分模式進一步劃分,如圖1所示。根據需要由不同尺寸的宏塊來執行,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節的場合,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測質量。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,應用7種不同大小和形狀的塊可以比單一的利用16×16塊進行編碼提高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濾波器的內插獲得1/2像素位置的預測值。當1/2像素值獲得后,通過取整數像素位置和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一步減小幀間預測誤差,減少了經變換和量化后的非0比特數,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(整數精度)預測提高20%的編碼效率[5,7]。

1.3 多參考幀預測

以往的編解碼技術在對P幀圖像進行幀間預測時,只允許以參考前一幀圖像進行編碼,即以前一個I圖像或P圖像為參考幀,對B圖像進行預測時只允許參考前后幀圖像進行編碼,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,允許在從當前幀的前幾幀中選擇一幀作為參考幀圖像,對宏塊進行運動預測,當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,達到最佳的預測效果,參考幀圖像甚至可以是采用雙向預測編碼方式的圖像,大幅度降低了預測誤差。另外幀間編碼部分還引入了SP幀,用于有效地實現變碼率環境下切換,可用于隨機、快速播放過程。比單參考幀的方法節省5%～10%的傳碼率[8],并且有利于比特流的錯誤恢復,解碼恢復更高圖像質量。因此,多參考幀預測對周期性運動和背景切換能夠提供更好的預測效果。

1.4 消除塊效應適應性濾波器

基于分塊處理的變換編碼算法,忽略了物體邊緣的連續性,在低碼率情況下,容易出現方塊效應。為消除在預測和變換過程中引入的塊效應,H.264對此采用消除塊效應適應性濾波器,對宏塊邊緣進行平滑,有效改進圖像主觀質量[9]。但與以往標準不同的是,H.264的消除塊效應濾波器位于運動估計循環內部,可以利用消除塊效應以后的圖像預測其他圖像的運動,即濾波后宏塊用于運動估計,以產生更小的幀差進行編碼,進一步提高預測精度。

1.5 增強的熵編碼

以往標準的熵編碼采用變長的哈夫曼編碼,碼表統一,不能適應變換多端的視頻內容,影響編碼效率[10]。H.264根據視頻內容的不同,利用較短的碼字來代表出現高頻率的符號,可進一步去除碼流中的冗余,提供兩種熵編碼,即上下文自適應二進制算術編碼(CABAC)和基于內容的自適應可變長編碼(CAVLC)。CABAC的編碼效率更高,也更復雜,在相同圖像質量下,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雜度測試

H.264的主要編碼模塊包括幀內預測、幀間預測、DCT變換、熵編碼、去塊效應濾波器等,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編碼器的內層即宏塊編碼層,主要用來完成核心的運動預測、4×4整數變換、量化和熵編碼功能。對一個宏塊進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)。然后根據當前編碼幀的類型(I幀、P幀、B幀)對宏塊進行不同的預測,將獲得的殘差系數進行變換和量化,量化后的系數分成兩個方向進行處理,一個是送到熵編碼部分進行CABAC編碼,另外一個是送入逆量化和逆變換部分,還原出當前編碼的宏塊,從而構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的偏差性,會使逆變換和逆量化后的圖像產生方塊效應,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。濾波強度取決于宏塊的預測方式、量化參數、運動矢量等。比如量化步長減小時,濾波器的作用也會相應降低。

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雜度測試結果如表1所示。

表1 復雜度測試結果

幀內預測和幀間預測/%整數變換和量化/%熵編碼CABAC/%去塊效應

濾波過程/%

66.94116.17210.5386.349

69.23215.13310.1525.483

68.46516.04510.4934.997

69.11215.37511.1264.387

由測試結果可以看出,幀間預測和幀內預測的持續時間最長,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%。測試結果表明,H.264具有更高的壓縮比、更好的IP和無線網絡信道的適應性,但是H.264的高壓縮率是以其復雜度為代價的,而復雜性主要體現在幀間預測模塊中,因此要加快H.264的編碼速度,就必須對這個模塊進行優化。

3 結 語

H.264與以往的視頻編碼標準相比,其系統結構、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,具有更高的編碼壓縮效率和適應性,但是其在解碼端計算的復雜度比是H.263和MPEG-4的2～3倍。隨著芯片處理能力的不斷進步,H.264的計算復雜程度在可以接受的范圍之內。H.264以其突出的優勢,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量和低帶寬圖像快速傳輸的難題,必然在衛星電視轉播、移動通信、IP網的多媒體傳輸、無線視頻傳輸等視頻通信和視頻存儲領域贏得更好的應用和商機。

參考文獻

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