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云计算-面向多屏共享系统的H.264AVC运动估计算法改进.pdf
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云计算-面向多屏共享系统的H.264AVC运动估计算法改进.pdf
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I
面向多屏共享系统的 H.264/AVC 运动估计算法改进
摘 要
随着科技的发展,智能手机、平板电脑、智能电视等越来越多的智能化家电
走进了千家万户。数字家庭一种以计算机技术和网络技术为基础,各种家电通过
各种互连方式进行通信及数据交换,从而实现家用电器之间的“互联互通”的技
术,它可以使人们足不出户就可以更加方便快捷地获取信息,从而极大程度地提
高人类居住的舒适性和娱乐性。多屏共享系统是在数字家庭的基础上发展出来的
一种新兴应用,其功能在于帮助用户随时随地的访问其他设备上的多媒体资源。
H.264/AVC 是一种由 ITU-T 视频编码专家联合 ISO/IEC JTC1 动态图像专家
组共同提出的新一代高度压缩视频编码器标准。与以往的编码标准相比,H.264
主要具有低码率、高质量图像、容错能力强、网络适应性强等特点。目前市面上
绝大多数设备中的多屏共享系统均采用了标准的 H.264/AVC 编码器。标准
H.264/AVC 编码器的数据压缩比高,在同等图像质量的条件下,H.264/AVC 的压
缩比是 MPEG-2 的 2 倍以上,是 MPEG-4 和 H.263 的 1.5 到 2 倍,因此用在多屏
共享系统上具有节省带宽的优势。然而标准编码器同时还具有高运算复杂度的特
点,这使得用户在实际使用时硬件的运算负荷大,观看视频出现较大延时甚至卡
顿等现象,用户体验不理想。
在 H.264/AVC 编码器中,运动估计是耗时最高的环节。X264 是一种 H.264/AVC
的开源实现,因为其运行时简单高效的特性而被广泛的应用于各个领域。X264
中一共提供了 4 种运动估计算法,分别是变换全局搜索算法(TESA)、菱形搜索
算法(DS)、六边形搜索算法(HEX)和非对称十字形多层次六边形格点搜索算法
(UMH)。
在本文中,我们深入研究了 X264 提供的 4 种算法,然后对其中最适合多屏
共享系统的六边形搜索算法进行了改进。另外,为了测试改进算法对系统延迟时
间的影响,本文在目前市面上智能设备采用最多的 Android 系统上搭建了一个模
拟多屏共享系统的实验平台。通过实验对比发现,改进后的新算法与原算法相比
编码速度得到了提高,同时编码的质量几乎没有下降;使用改进算法的实验系统
拥有更短的延迟时间,用户体验得到了改善。
关键字:多屏共享系统;H.264/AVC;运动估计;延迟时间
万方数据
II
An Improvement on Motion Estimation Algorithm of
H.264/AVC Encoder for Multi-screen Sharing System
Abstract
With the development of technology, a variety of smart home appliances constantly
entered millions of households, and the concept of digital home has been widely
accepted by consumers. The digital home is based on computer and network
technology, it allows different kinds of smart appliances to communicate and
exchange data, and makes them connecting with each other. Using the digital home
technology people can obtain information more conveniently and quickly without
leaving their house. As one of the new application of digital home, multi-screen
sharing system aims at helping users to access their media resources stored on
different devices whenever necessary.
H.264/AVC is a standard for video compression which developed by the ITU-T
Video Coding Experts Group (VCEG) together with the ISO/IEC JTC1 Moving
Picture Experts Group (MPEG). Compared with the previous coding standards,
H.264/AVC has characteristics such like low bit-rate, high-quality images,
fault-tolerant capability and strong network adaptability. Currently, the multi-screen
sharing systems on home appliances in the market mostly are based on the standard
H.264/AVC encoder. Although the standard H.264/AVC encoder has a high data
compression ratio, using it on the multi-screen sharing system can save the bandwidth
of the network transmission, but the higher computational complexity of H.264/AVC
encoder contributed a lot to the delay time of multi-screen sharing system, users
always obtains poor experience.
Motion estimation is the most important and time-consuming part of H.264/AVC
encoder. As the most widely used open source implementation of H.264/AVC, X264
provides 4 kinds of motion estimation algorithms for users, they are Transformed
Exhausted Search Algorithm (TESA), Diamond Search Algorithm (DIA), Hexagon
Based Search Algorithm (HEX) and Unsymmetrical-Cross Multi-Hexagon-Grid
Search Algorithm (UMH).
万方数据
III
This paper researches the four kinds of algorithms provided by X264 in depth, and
makes an improvement on the Hexagon Based Search Algorithm by analyzing and
comparing the existing algorithms. Moreover, to test the effect of improved algorithm
on delay time of system, a multi-screen sharing system simulation platform has been
designed and implemented. Experimental results show that the improved method has
increased the encoding speed significantly while hardly affecting on picture quality,
and the simulation platform which using improved method has shorter delay time.
Key Words: Multi-screen sharing system; H.264/AVC; Motion estimation; Delay
time
万方数据
IV
目 录
1 绪论 ............................................................ 1
1.1 项目背景 ........................................................ 1
1.2 国内外研究现状 .................................................. 1
1.3 论文工作安排 .................................................... 3
2 H.264/AVC 编码器研究 .......................................... 5
2.1 H.264/AVC 编码流程 .............................................. 5
2.2 H.264/AVC 的档次和分级 .......................................... 6
2.3 H.264/AVC 的分层 ................................................ 8
2.4 H.264/AVC 的 DCT 和量化 .......................................... 9
2.5 本章小结 ....................................................... 12
3 H.264/AVC 运动估计算法的改进 ................................ 13
3.1 运动估计算法原理 ............................................... 13
3.2 块匹配准则 ..................................................... 14
3.3 菱形搜索算法 ................................................... 15
3.4 六边形搜索算法 ................................................. 17
3.5 非对称十字形多层次六边形格点搜索算法 ........................... 19
3.6 六边形搜索算法的改进 ........................................... 21
3.7 本章小结 ....................................................... 23
4 实验平台设计及关键模块实现 .................................. 24
4.1 平台总体设计 ................................................... 24
4.2 软件开发环境搭建 ............................................... 25
4.2.1 服务器端开发环境搭建......................................... 25
4.2.2 客户端开发环境搭建........................................... 26
4.3 屏幕截取模块的原理和实现 ....................................... 27
4.3.1 Framebuffer 机制介绍 ......................................... 27
万方数据
V
4.3.2 屏幕截取的实现............................................... 28
4.4 视频编码模块的原理和实现 ....................................... 30
4.4.1 FFmpeg 重要数据结构简介 ...................................... 30
4.4.2 编码器模块的实现............................................. 33
4.5 网络传输模块的原理和实现 ....................................... 35
4.5.1 RTP 协议简介 ................................................. 36
4.5.2 网络传输模块的实现 ........................................... 38
4.6 本章小结 ....................................................... 41
5 实验方法设计与结果分析 ...................................... 42
5.1 编码器性能的测试 ............................................... 42
5.1.1 实验方法设计 ................................................. 42
5.1.2 实验结果与分析 ............................................... 45
5.2 延迟时间的测试 ................................................. 46
5.2.1 实验方法设计 ................................................. 46
5.2.2 实验结果与分析 ............................................... 49
5.3 本章小结 ....................................................... 50
6 总结与展望 .................................................... 51
6.1 总结 ........................................................... 51
6.2 展望 ........................................................... 51
参考文献 ......................................................... 53
致 谢 ............................................................. 56
个人简历 ......................................................... 57
发表的学术论文 .................................................. 58
万方数据
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