H.264帧间编码快速算法研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 11.74MB 84 页 15积分

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摘要

H.264 作为目前最新的视频编码标准，以其优异的压缩性能和良好的网络适

应性，越来越多地被使用在各种应用场合。相比其它视频编码标准，H.264 的优越

性表现突出，但同时编码复杂度也相应提高很多，其中的运动估计与编码模式选

择部分是耗时较多的模块，提高这两个模块的编码速度对于编码器总体速度的提

升有很大帮助。

本文主要针对帧间编码的运动估计与模式选择模块进行了研究。运动估计部

分，对 H.264 测试模型 JM 中的整像素运动估计搜索算法 UMHexagonS 及EPZS

进行了详细的分析，归纳出两种算法的优缺点，然后针对 UMHexagonS 算法的复

杂搜索模板及搜索步骤提出改进的基于方向的菱形-T 形搜索算法：根据当前搜索

起点与上一步搜索起点的相对位置关系决定下一步搜索的模板及方向。分析了分

数像素运动估计的必要性，并提出了基于 CBFPS 的改进算法，将 16×8 及8×16 块

加入改进的快速搜索算法中，并且对 16×16 块也采用了复杂度较小的快速算法。

实验结果显示，相比 JM 中采用的算法，改进的整像素及分数像素快速算法在保

证图像质量及编码比特率上升不太明显的情况下，运动估计速度分别大约提高了

40%与18%。

帧间编码模式选择部分，详细分析了 H.264 中的全模式选择算法及其它几种

快速模式选择算法，然后基于各种视频序列的先验模式分布统计提出改进的快速

模式选择算法。改进算法在对各种编码模式进行率失真计算前采用零块判断与提

前终止策略，首先判断可能性较大的模式，跳过不必要的不可能或可能性极小的

模式。通过实验与 JM 中采用的算法进行比较，改进算法同样在保证图像质量及比

特率的同时提高了大约 36%的编码速度。

关键词：H.264 帧间编码运动估计模式选择

ABSTRACT

As the latest video coding standard, H.264, with its superior compression

performance and excellent network adaptability, is increasingly being used in a variety

of applications. Compared to other video coding standard, while having great

performances, the encoding complexity of H.264 has been increased a lot, where the

models of motion estimation and coding mode selection are more time-consuming.

Therefore, to improve the encoding speed of these two modules will much help to speed

the encoder.

In this paper, the inter-frame motion estimation and mode selection modules have

been studied. After researching the interger motion estimation search algorithm

UMHexagonS and EPZS in JM of H.264, and summarizing their advantages and

disadvantages, a improved fast algorithm, Direction Based Diamond-T Search

(DBDTS), is proposed to reduce the complex templets of UMHexagonS: according to

the relative position between center searching point and the one of previous searching

step, the searching template and direction of next step can be selected adaptively. Based

on detailed analysis of the necessity of fractional-pixel motion estimation, a novel

algorithm is proposed based on CBFPS: Join the 16×8 and 8×16 blocks to the improved

Quickly-Search algorithm, and the 16×16 macroblock can use the fast algrithom which

has smaller complexity. Experimental results show that, compared with algorithm in

JM, the proposed interger-pel and fraction-pel motion estimation algorithms efficiently

reduce the time of motion estimation (by about 40% and 18 %) with minimal loss in

bitrate and reconstructed quality.

Inter-frame mode decision part, after detailed analysis of the full mode decision

algorithm in H.264, and several other fast mode decision algorithms, an improved fast

mode decision algorithm is proposed based on statistics of modes. In improved

algorithm, before the processing of rate-distortion, early terminal strategy is used to skip

those unnecessary impossible modes, and to select these possible modes. The proposed

mode decision algorithm speeds up about 36% in ensuring the same image quality and a

littile bit rate increasing.

Key Word: H.264, inter-frame coding, motion estimation, mode

decision

目 录
摘  要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 引言...................................................................................................................1
§1.2 研究目的及意义...............................................................................................1
§1.3 研究背景...........................................................................................................2
§1.3.1 视频压缩编码标准的特点....................................................................3
§1.3.2 两大视频压缩编码标准体系的比较....................................................3
§1.4 主要工作及内容安排.......................................................................................4
第二章 H.264 视频编码标准介绍...................................................................................5
§2.1 引言...................................................................................................................5
§2.2 H.264 视频编码标准概述................................................................................5
§2.2.1 H.264 标准的特点.................................................................................6
§2.2.2 H.264 标准框架.....................................................................................7
§2.3 H.264 视频编码标准关键技术........................................................................9
§2.3.1 帧内预测编码........................................................................................9
§2.3.2 帧间预测编码......................................................................................10
§2.3.3 整数变换和量化..................................................................................11
§2.3.4 熵编码..................................................................................................15
§2.3.5 码率控制..............................................................................................16
§2.4 H.264 帧间编码算法特点..............................................................................17
§2.4.1 树状结构运动补偿..............................................................................18
§2.4.2 高精度运动补偿及内插......................................................................19
§2.4.3 多参考帧预测......................................................................................20
§2.5 本章小结.........................................................................................................21
第三章 整像素运动估计研究........................................................................................23
§3.1 引言.................................................................................................................23
§3.1.1 基于块的运动估计匹配准则..............................................................24
§3.2 基于块的快速运动估计搜索算法.................................................................25
§3.2.1 传统搜索算法分析..............................................................................25
§3.2.2 基于块的快速搜索算法......................................................................26
§3.3 JM 中整像素运动估计算法...........................................................................27
§3.3.1 UMHexagonS 算法..............................................................................28
§3.3.2 EPZS 算法............................................................................................30
§3.4 基于方向预测的菱形-T 形搜索(DBDTS)算法.............................................32
§3.4.1 DBDTS 搜索模板................................................................................32
§3.4.2 DBDTS 搜索步骤................................................................................33
§3.5 实验结果与分析.............................................................................................34
§3.5.1 实验结果..............................................................................................34
§3.5.2 性能分析..............................................................................................38

§3.6 结论.................................................................................................................39
第四章 分数像素运动估计研究....................................................................................41
§4.1 引言.................................................................................................................41
§4.2 分数像素运动估计快速算法.........................................................................41
§4.2.1 逐级分数像素全搜索算法..................................................................42
§4.2.2 基于抛物面预测的分数像素搜索(PPFPS)算法................................43
§4.2.3 偏向中心的分数像素搜索(CBFPS)算法...........................................45
§4.3 改进的快速分数像素搜索算法.....................................................................47
§4.3.1 起点预测..............................................................................................47
§4.3.2 提前终止策略......................................................................................48
§4.3.3 快速搜索算法描述..............................................................................49
§4.4 实验结果与分析.............................................................................................56
§4..4.1 实验条件及测试标准.........................................................................56
§4.4.2 实验结果..............................................................................................57
§4.5 本章小结.........................................................................................................61
第五章 帧间模式选择算法研究....................................................................................63
§5.1 引言.................................................................................................................63
§5.2 H.264 基于率失真优化的全模式选择算法..................................................64
§5.2.1 视频编码的率失真优化理论..............................................................64
§5.2.2 拉格朗日率失真优化算法..................................................................64
§5.2.3 编码模式的率失真优化......................................................................65
§5.3 快速帧间模式选择算法.................................................................................66
§5.3.1 快速帧间模式选择算法基本思路......................................................66
§5.3.2 基于先验统计的快速模式选择..........................................................67
§5.3.3 基于 DCT 变换的空域快速模式选择算法........................................67

§5.3.4 基于 MBD（宏块差值）的时域快速模式选择算法........................................68
§5.4 改进的快速模式选择算法.............................................................................69
§5.4.1 帧间编码模式分布统计......................................................................69
§5.4.2 基于 DCT 变换的 SKIP 模式早期判断..............................................72
§5.4.3 帧间模式提前终止过程......................................................................74
§5.4.4 算法步骤..............................................................................................75
§5.5 算法性能测试.................................................................................................76
§5.5.1 实验结果..............................................................................................76
§5.5.2 性能分析..............................................................................................78
§5.6 本章小结.........................................................................................................79
第六章 结论与展望........................................................................................................81
参考文献.........................................................................................................................83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................87
致　谢.............................................................................................................................89

第一章绪论

§1.1 引言

随着科学技术的进步，特别是近十几年来多媒体技术的飞速发展，人们传递

表达信息的形式已经从语音、文字逐步转变成为图像与视频这样的视觉信息。视频

是多媒体信息中一个非常重要的组成部分。与文字和听觉信息相比，视觉信息具

有以下优点：确切性，同样的内容由听觉和视觉两种不同方式获取的信息其效果

是不同的，后者显然比前者更容易确认，不易发生误解；直观性，同样内容的信

息通过图像获取比声音或文字更为形象直观，印象深刻，易于理解；高效性，由

于视觉器官具有较高的图案识别能力，人们可在很短时间内，通过视觉能接受到

比声音信息更丰富，超出文字描述能力的信息；应用广泛，利用视觉得到的信息

易于满足多种应用要求，如广播电视、视频存储、宽带视频、实时通信、分组网络的

多媒体业务等。

H.264 作为当前视频编码的最新国际标准，正逐步为人们普遍接受，正在被

各方应用所采纳。H.264 标准获得了比 H.263 更好的压缩性能：加强了对各种信道

的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应

用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需

求。

§1.2 研究目的及意义

在相同的重建图像质量下，H.264 比H.263 节约50%左右的码率。但 H.264 获

得优越性能是以计算复杂度增加为代价的，编码复杂度大约相当于 H.263 的3倍，

解码复杂度大约相当于 H.263 的2倍。其中，H.264 标准中帧间压缩编码技术采用

多参考帧预测与可变块尺寸运动估计，运动矢量估计从1/2 精度提高到了1/4 精度，

这就必然要包含对大量视频数据的处理，是编解码器实现的瓶颈，如何在现有的

硬件处理速度和存储器传输带宽下，实时完成视频编解码，正是视频编解码帧间

技术硬件实现所要解决的问题。

H.264 编码算法中，运动矢量的搜索是运算量最大的模块，包括整像素搜索

与分数像素搜索两部分。近几年来，整像素运动搜索快速算法领域已经取得较多

研究成果，但要适应 H.264 标准的实时应用还需要改进很多；而整像素快速算法

的不断发展也使得分数像素运动搜索算法的研究必不可少。另外，H.264 标准中帧

间编码模式的选择算法在很大程度上影响着编码器的速度，帧间预测的每个宏块

（16×16 像素）可以按4种方式进行划分，而其中的 8×8 子宏块又可以进一步划

分成更小的子块，每个子宏块或子块都要进行运动估计（ME）与运动补偿

（MC），这样，能够在不降低编码质量的情况下快速确定各宏块的预测分割将

大大降低帧间预测的复杂度。

本文以 H.264 帧间编码算法为研究对象，针对影响帧间编码速度比较大的运

动矢量搜索与帧间编码模式选择算法，提出改进的快速算法，并以 JM（Joint

Model）为测试模型，验证算法的有效性。

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摘要H.264作为目前最新的视频编码标准，以其优异的压缩性能和良好的网络适应性，越来越多地被使用在各种应用场合。相比其它视频编码标准，H.264的优越性表现突出，但同时编码复杂度也相应提高很多，其中的运动估计与编码模式选择部分是耗时较多的模块，提高这两个模块的编码速度对于编码器总体速度的提升有很大帮助。本文主要针对帧间编码的运动估计与模式选择模块进行了研究。运动估计部分，对H.264测试模型JM中的整像素运动估计搜索算法UMHexagonS及EPZS进行了详细的分析，归纳出两种算法的优缺点，然后针对UMHexagonS算法的复杂搜索模板及搜索步骤提出改进的基于方向的菱形-T形搜索算法：根据当前...

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