H_264中多参考帧预测技术的优化
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2008-04-26
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《电子技术应用》
２００５
年第
６
期本 刊 邮 箱
#
ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
运 动 估 计 是 去 除 视 频 序 列 相 邻 帧 之 间 冗 余 信 息 的
有 效方 法 ，对 整 个 视 频 编 码 效 果 有 重 要 的 影 响 。 由 两 大
国 际 标 准 化 组 织
（ＩＳＯ／ＩＥＣ
的
ＭＰＥＧ
和
ＩＴＵ－ Ｔ
的
ＶＣＥＧ）
共 同 制 定 的 最 新 的 国 际 视 频 编 码 标 准
Ｈ．２６４／ＡＶＣ
仍 然
采 用 成 熟 的 基 于 块 的 混 合 编 码 框 架
［１］
，但 由 于 引 入 了 很
多 新 的 编 码 技 术 ，如 多 参 考 帧 预 测 运 动 估 计 ，从 而 可 以
提 供 更 高 的 编 码 效 率
［２］
。
以 前 的 视 频 编 码 标 准 如
ＭＰＥＧ－ ４
和
Ｈ．２６３
等 都 只
支 持 一 个 参 考 帧 预 测 。
Ｈ．２６４
不 同 于 以 前 的 标 准 ，采 用
了 多 参 考 帧 预 测 技 术 ，使 得 运 动 搜 索 范 围 从 原 来 的 一 个
参 考 帧 扩 展 为 多 个 解 码 后 的 参 考 帧 ，这样 通 常 能 找 到 更
精 确 的 匹 配 ，从 而 有 助 于 获 得 更 高 的 编 码 效 率 。 但 是 多
参 考 帧 预 测 技 术 同 时 也 存 在 一 些 缺 点 ，对 存 储 空 间 和 计
算 能 力 要 求 更 高
［３］
。
Ｈ．２６４
中 引 入 的 拉 格 朗 日 率 失 真 最 优 策 略 采 用 穷 尽
搜 索 在 所 有 候 选 参 考 帧 中 选 择 率 失 真 成 本 最 低 的 参 考
帧 。 拉 格 朗 日 率 失 真 最 优 模 式 选 择 问 题 可 表 述 为
［４～５］
：
Ｊ
ｍｏｔｉｏｎ
（ｓ，ｃ，ｍ，ＲＥＦ
!
ｍｏｔｉｏｎ
） ＝ＳＡＤ （ｓ，ｃ （ｍ，ＲＥＦ）） ＋
!
ｍｏｔｉｏｎ
·
（Ｒ
（ｍ－ Ｐ）＋Ｒ（ＲＥＦ）） （１）
其 中
ｍ＝（ｍ
ｘ
，ｍ
ｙ
）
Ｔ
表 示 某 个 运 动 矢 量 ，
ＲＥＦ
表 示 某 个
参 考 帧 ，
Ｊ
ｍｏｔｉｏｎ
（ｓ，ｃ，ｍ，ＲＥＦ
!
ｍｏｔｉｏｎ
）
表 示 在 运 动 矢 量
ｍ
和 参
考 帧
ＲＥＦ
下 的 率 失 真 成 本 ，
ｓ
为 原 始 的 视 频 信 号 ，
ｃ（ｍ，
ＲＥＦ）
为 在 运 动 矢 量
ｍ
和 参 考 帧
ＲＥＦ
下 的 重 构 视 频 信
号 ，
!
ｍｏｔｉｏｎ
为 拉 格 朗 日 乘 子 ，
Ｒ（ｍ－ Ｐ）
表 示 编 码 运 动 矢 量
ｍ
的 比 特 数
，Ｒ（ＲＥＦ）
表 示 编 码 参 考 帧
ＲＥＦ
的 比 特 数 ，
ＳＡＤ
（ｓ，ｃ （ｍ，ＲＥＦ））（Ｓｕｍ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）
为 原 始 信 号 和 重
构 信 号 之 间 的 绝 对 差 和 ，采 用
（２）
式 计 算
：
ＳＡＤ（ｓ，ｃ（ｍ，ＲＥＦ））＝
Ｂ
１
，
Ｂ
２
ｉ＝ １， ｊ ＝１
!
ｓ［ｉ，ｊ］－ ｃ［ｉ－ ｍ
ｘ
，ｊ－ ｍ
ｙ
］ （２）
其 中
Ｂ
１
，Ｂ
２
表 示 块 的 水 平 和 垂 直 像 素 数 ， 可 以 取 值
１６， ８
或
４
。
设
ｍ
表 示 运 动 矢 量 搜 索 范 围 ，若 只 允 许 一 个 参 考 帧
进 行 预 测 ，那 么 每 个 宏 块 需 要 搜 索
（２×ｍ＋１）
２
个 候 选 点 ；
若 允 许
Ｎ
个 参 考 帧 进 行预 测 ， 那 么 每 个 宏 块 总 共 有
Ｎ×
（２×ｍ＋１）
２
个 候 选 搜 索 点 。 这 意 味 着 ， 运 动 搜 索 的 计 算
量 、编 码 时 间 随着 预 测中 总 参 考 帧 数 成 倍 增 长
［６］
。允 许 的
参 考 帧 数 越 多，运 动 搜索 的 计 算 量 、编 码 时 间 就 越大 。
为 了 减 少 上 述 多 参 考 帧 预 测 技 术 中 存 在 的 问 题 ，本
文 利 用 相 邻 帧 间 很 高 的 相 关 性 提 出 了 一 种 低 复 杂 度 的
快 速 多 参 考 帧选 择 算法 。
１
快速 多 参考 帧预 测算法
在
Ｈ．２６４
运 动 估 计 中 ， 多 参 考 帧 运 动 搜 索 过 程 在
７
种 不 同 的 块 大 小 和 形 状 条 件 下 进 行 ， 按 照 从
１６×１６
到
４×４
的 顺 序 依 次 进 行 。 对 于 每 一 个 块 编 码 大 小 ，需 要 在
所 有 可 能 的 参 考 帧 中 找 出 率 失 真 成 本 最 低 的 参 考 帧 和
其 相 应 的 运 动矢 量 。多 参 考帧 运 动 搜 索 过 程 首 先 从 概率
较 高 的 参 考 帧
ＲＥＦ（０）
开 始 ，一 直 进 行到 距 离 当 前 编 码 帧
最 远 的 参 考 帧
ＲＥＦ（Ｎ－ １）
。
由 于 视 频 序 列 相 邻 帧 间 存 在 很 强 的 时 域 相 关 性 ，一
般 情 况 下 ，最优 的 匹 配 通 常 位 于 与 当 前 编 码 帧 紧 密 相 邻
的 参 考 帧 ，本 文 采 用
ＲＥＦ（０）
表 示 这 一 参 考 帧 ；其 余 的 参
考 帧
（
在 本 文 中 表 示 为
ＲＥＦ（ｉ）， ｉ＝１，２，．．．，Ｎ－ １
，设 允 许 的
最 大 参 考 帧 数为
Ｎ）
被 选 中 的 概 率 远 远 小 于 第 一 个 参 考
帧
ＲＥＦ（０）
。
为 了 进 一 步 了 解 不 同 参 考 帧 在 实 际 视 频 序 列 中 被
采 纳 的 情 况 ， 本 文 选 择 了 几 个 典 型 的 视 频 测 试 序 列 ，并
利 用 拉 格 朗 日 率 失 真 最 优 搜 索 策 略 ，在不 同 参 考 帧 数 条
件 下 统 计 不 同 参 考 帧 的 被 选 中 概 率 ，实验 数 据 如 表
１
所
示 。从 表
１
可 以 看 出 ，在 所有 参 考帧 中 ，
ＲＥＦ（０）
成 为 最 优
参 考 帧 的 概 率 最 高 ，概 率 高 达
８８．６７％
，而 其 余 所 有 参 考
帧 被 选 中 的 概率 远 远小 于
ＲＥＦ（０）
。
从 上 述 分 析 可 知 ，参考 帧
ＲＥＦ（０）
成 为 最 终 预 测 帧 的
概 率 最 高 ，在这 一 参 考 帧 中 获 得 的 运 动 搜 索 结 果 对 整 个
编 码 性 能 有 着重 要 的影 响 。 因 此 ，可 以 认 为 在
ＲＥＦ（０）
中
的 搜 索 范 围 越 大 ，对整 个 编 码 性 能 的 改 善 也 会 越 大 。 相
比 较 ，由 于 其 余 的 参 考 帧 被 选 中 的 概 率 很 低 ，而 且 每 增
加 一 个 参 考 帧 就 会 增 加 很 大 一 部 分 计 算 量 ，所 以 在 一 定
条 件 下 合 理 地 减 少 在 这 些 参 考 帧 中 运 动 搜 索 的 计 算 量 ，
Ｈ．２６４ 中多参考帧预测技术的优化
董海燕，张其善
（北京 航空航天大学 电子信息工程学院
，
北京
１０００８３
）
摘 要
：
提出 了一 个 低复 杂 度的快速 多 参考 帧 选 择算法 。模 拟 结 果表 明 本 算法 在 保持率 失 真 性
能的 前提 下可以 大大 减少多参考帧 预测的计算复杂度。
关键词
： Ｈ．２６４
运动估 计 多参 考帧预 测 运动 搜索
计算 机 应用
１０
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