低复杂度视频编码算法研究与实现 高爽 ． 王晓斌 （东莞职业技术学院，东莞５２３８０８） 摘要：研究帧内预测模式的选择。根据图像自身的特点，对其宏块的像素值进行平坦性分析，确定 较小的模式搜索范围；再根据宏块的方向性，排除小概率预测模式，从而大大缩小视频帧内 编码的搜索模式范围。实验表明，改进算法提高了编码效率，平均节省约５２．４０％Ｎ模式预 测时间，在保证视频图像质量的同时，实现低复杂度的视频编码新算法。 关键词：帧内编码；视频编码；帧内预测；快速模式选择 ０ 引言 随着视频产业和通信技术的发展，视频、多媒体业 务与网络应用也同样迅速发展到我们生活中的各个领 域，日益成为人们生活、工作和娱乐中不可缺少的重要 部分 Ｈ．２６４／ＡＶＣ的提出标志着新视频编码时代的到 来ｉ１－２１ Ｈ．２６４／ＭＰＥＧ一４ ＡＶＣ是ＩＴＵ—Ｔ和ＩＳＯ／ＩＥＣ联合 制定的最新的国际视频编码标准．Ｈ．２６４被普遍认为 是最有影响力的行业标准。它包含了视频压缩领域的 许多最新研究成果，Ｈ．２６４具有许多优良的性能：压缩 比更高．能节省大约５０％的码流．图像质量更好．适应 块预测模式和４种８ｘ８色度信号预测 这么多种模式 势必加大模式选择所耗费的时间．特别当使用率失真 优化ｆＲＤＯ）模式时．帧内预测的编码时间还要成倍增 加 因此．过多的候选模式数和巨大的计算开销使模式 选择成为全搜索帧内编码预测模式的问题关键 ２ 改进算法流程 新算法的是根据以下两个方面改进的： ①通过对图像平坦特性的分析．首先在１６ｘ１６块 和４ｘ４块帧内预测模式之间做出初步的选择．如果当 前块为细节不丰富且平坦性较强的宏块．直接对它进 性更广，能较好地满足实时（视频会议）及非实时（存储、 广播等１等各种应用Ｉ引 在ＤＳＰ上实现Ｈ．２６４的实时编 码具有较大的工程意义及经济价值 行１６￣１６块帧内模式预测：如果当前块为细节很丰富 纹理很多的宏块，对其进行４ｘ４块帧内模式预测；否 则．对其分别进行１６ｘ１６块和４ｘ４块帧内模式预测，再 １ 全搜索算法 Ｈ．２６４标准的帧内预测算法充分利用图像的空间 相关性．使用帧内块周围的像素来进行帧内宏块的预 通过比较．选出最佳的预测编码模式。 ⑦从减少编码模式搜索的范围出发，对于当前宏 块．首先进行宏块内像素点的相关性和方向性分析，对 测，提高了编码效率，从而减少了编码输出码率。然而， 各个方向的预测差值进行计算．选出对应方向性最佳 的模式阁。再从４ｘ４块方向性（图１）的特点出发，选择 高效的帧内预测算法也大大增加了编码器的运算复杂 度 同时视频序列的空间相关性远小于其时间相关性． 因此为确保获得高压缩比以及良好的编码视频质量． 因此我们选用的帧内预测模式众多．包括亮度信号和 色度信号．其中有９种４ｘ４块预测模式ｉ４ｌ、４种１６ｘ１６ 收稿日期：２０１０—１１—１９ 修稿日期：２０１０—１２—０１ 当前被确认为最佳模式的方向及其相邻的两个方向。 再加上直流预测进行率失真代价的计算．选择其中率 失真代价最小的模式作为最佳预测编码模式。 作者简介：高爽（１９８３一），女，河北辛集人，助教，硕士，研究方向为智能控制与图像处理 ＠ 现代计算机２０１１．０１ （８）建立４ｘ４块相应的预测块，将四种预测模式分 ． ．『／｜ ８ ‘ ‘别进行预测赋值．计算４ｘ４块各点像素的预测值和原 始４ｘ４块之间的差值ｒｅｓｉｄｕａｌ，并返回残差值： （９）计算４×４宏块四种模式对应的率失真代价ＣＯＳｔ 值．选择最小值对应的模式作为４ｘ４块最佳的帧内预 测模式，如果（Ｔｈ１＜ｓｓｄ＜Ｔｈ２），跳转到（５）；否则，将所得 的４ｘ４宏块最佳预测模式和代价ｃｏｓｔ保存．返回上一 级．对下一宏块进行操作。 ・６ ３ ７ ． ５ ０ 改进算法中．我们分别利用了图像自身的平坦特 征和方向性．对不同模式进行了区分与排除．大大减少 图１帧内４ｘ４块各种模式的方向示意图 了模式选择的范围 我们设定了两个阈值．从保证对大 多数图像均适用的角度出发．将小于较小阈值的宏块 进行１６ｘ１６块模式预测．将大于较大阈值的宏块进行 ４ｘ４块模式预测。在两者之间的宏块，为了保证模式选 择的准确性．我们分别进行４ｘ４块模式预测和１６ｘ１６ 块模式预测。保证视频编码的准确性和可靠性。 ３ 新算法与结论分析 ３．１新算法的实现过程 ｆ１）对当前的１６ｘｌ６宏块各个像素点进行求和计 算．求出所有点的平均值ａｖｅ，再将１６ｘ１６宏块各个像 素点的值与平均值作差值．求出差值的平方和ｓｓｄ．将 所求出的ｓｓｄ与实验所得的平坦性经验值Ｔｈ１和Ｔｈ２ 进行比较，如果（ｓｓｄ＜Ｔｈ１），跳转到（２）；否则，跳转到 （６）； ３．２结果分析 实验中把改进的快速模式选择算法与全搜索算法 进行了统计比较．对１７个图像序列进行了实验测试． 针对不同的量化值．新算法在降低视频编码复杂度中 所取得的改进 数据分析时．还考虑了程序实现的结果 与程序算法设计方法的联系．分析了针对图像自身的 纹理特点，在模式选择的判断上．实现的改进算法节省 了固定的模式选择时间 （２）建立１６ｘ１６相应的预测块．将４种预测模式分 别进行预测赋值．计算１６ｘ１６块各点像素的预测值和 原始１６ｘ１６块之间的差值ｒｅｓｉｄｕａｌ，并返回残差值： （３）计算１６ｘ１６宏块四种模式对应的率失真代价 ｃｏｓｔ．选取率失真代价ｃｏｓｔ最小的预测模式作为１６ｘ１６ 块最佳的帧内预测模式： （４）将所得的１６ｘ１６宏块最佳预测模式和代价ｃｏｓｔ 保存．返回上一级，对下一宏块进行操作： （５）执行（２）和（３），将４ｘ４块最佳的帧内预测模式 誊 与１６ｘ１６块最佳的帧内预测模式的代价值ｃｏｓｔ进行比 量化值ＯＰ为３２．入为８６－３５时得到的新算法的实 验结果．如表１ 表１改进快速算法得到的比特率和信噪比 剩 ； ｉｔ ，舔 １８５０．０４ Ｐ鼬骧Ｉ矗，ｂ】 △静ｎ０Ｏ △Ｐｓ弧ｍ 辕 ｉ 赫ｌ砖 ｉ 蛔 。。Ⅲ¨ １２７５．６６ ８３０．０４ ２４９０．２６ ３６．１１９５ ３３．０６３６ ０．９６ ０．５６ 十ｏ．ｏ３０７ ＋０．００８０ —５３ ３１５８ —４９．４诱２ 撕ｔｉ ｅｌｏｓｅ 较．选择较小的作为当前宏块的最佳帧内预测模式．保 存对应模式和代价ｃ０ｓｔ．返回上一级．对下一宏块进行 操作： 摹 嘲ｉ ｆ 抽 ３７．５８８６ ３３．３２３５ ２．５６ ３．７０ ＋０．００３５ —０．１１３１ －６３．８∞２ —５１．７７５１ 曩 赫ｅ ｅ ｒｄ 鞴ｆ １０７０．９０ ３６２】．２６ ２０２５．４８ ３６．３６０６ ３０．７３１１ ３３．６１８５ ４．９８ １｜３７ ０．８２ —０．０６３３ －０．０３３５ ＋ｏ．０１８２ －５８．７∞９ —４７，６４５６ －５５．８５１３ 躐 ｍ 麓 ｉ ； ２９９５．１６ １１８９．５８ ３２．３１９３ ３５．１４６８ ２．５２ ２．２９ —０．１１９０ 一Ｏ．０２２５ —４６．６２６５ －，５５．５８４９ （６）对４ｘ４块各像素点的方向性进行计算，利用快 速判决公式计算出各个方向对应的方向参数Ｄｉｆ值． 选择其中最小的值所对应的方向作为最有可能的最佳 帧内预测模式： （７）将（６）中所得的预测模式与其相邻的两个方向 预测模式以及直流预测模式共四种预测模式作为搜索 的模式范围： ≤ 蚵 一。 １４２１．８ ８４７１２ ．３５．４０７７ ３７．３８１５ ２８．１３８８ ３．９４ ３．２７ １．５ｌ —０．１６２０ —０．０５９７ 一０．ｏ０４６ －５４．５７７８ —６４．０霹７ —４４．２０５４ １５５１２．１ ｔ ；褊ｔＪｒ 。 ．． １９９３．４８ １８４９．０８ ３３．２ｌ７ ３３．７８０７ ３．８４ ３．２４ —０．１０４２ —０．０８３７ —５０．２７８３ －４８．７８４４ 。。＿ ｌ蛳 １８６０．３６ ≯ 蛸 ■ｉ １８１５．１２ 《 ｉ誓 ｋ １６８７６ ．３３．４０７７ ３３．８２４８ ３４．１４５９ １．９ｌ ４．５６ ４．５５ 一０．ｏ６７１ —０．１ｌ１６ —０．０７０８ －４５．６８９１ —４６．２ｇＢ５ —５４．１２１６ 从此量化值的实验结果中我们可以看到．在率失 现代计算机２０１１．０１ ＠ 真代价的计算上．新算法平均节省了５２．４０％的模式选 度，平均节省了一半多的预测编码所花费的时间。同时 择的时间，较好地提高了模式选择的效率 在信噪比方面，例如Ａｋｉｙｏ序列．实验结果可以看 保证了比特率增加很小，有的甚至出现减少的情况，比 较理想。 参考文献 到，信噪比值提高了０．０３０７ｄｂ．虽对部分图像序列来 说，信噪比降低了０．０６～０．１０ｄｂ．但图像序列的信噪比均 保证在０．１２ｄｂ以下，仍可以保证视频图像的质量 在比特率方面，比特率增加在３％左右．增加的比 特率较小。由于篇幅的限制其他量化值的实验结果这 儿就不一一列举 【１］何宜宝，陈再秀，毕笃彦等．利用边缘方向检测实现Ｈ．２６４ 帧内预测编码的新算法ｆＪ１．西安电子科技大学学报（自然科 学版），２００９，１２，３６（６） 『２１田川，王永生．关于Ｈ．２６４帧内预测模式选择快速算法的研 究ｆＪ】．计算机工程与应用，２００６．１１：１３ ｌ５ ３．３结论 新的快速模式选择算法可以降低视频编码的复杂 度．平均节省了一半多的预测编码中率失真代价部分 所花费的时间．同时保证了比特率增加很小．有的甚至 出现减少的情况，比较理想。同时，在新算法中，有很大 比例的图像视频都出现了信噪比增加的情况．说明新 的模式选择算法对这些类型的视频编码质量都有所提 高 ［３】王慧．Ｈ．２６４视频编码的帧内预测模式选择算法研究【Ｄ］． 南京：南京航空航天大学信息科学与技术学院．２００８ ［４］Ｂｏ－ｊｕｎ ＭＥＮＧ，Ｏｏｃａｒ Ｃ ＡＵ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ Ｉｎｔｒａ－Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ４ｘ４ Ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ Ｈ．２６４［ｃ１．Ｉｎ：ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａ－ ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ａｎｄ Ｅｘｐｏ，２００３：５１２－５１４ 【５］Ｌｉ—ｌｉ ＷＡＮＧ，Ｗａｎ－ｃｈｉ ＳＩＵ．Ｈ．２６４ Ｆａｓｔ Ｉｎｔｒａ Ｍｏｄｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｅａｃｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｉｘｅｌ Ｄｏｍａｉｎ『Ｊ】．Ｉｎ：ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ， Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．２０Ｏ９：１０３７—１Ｏ４Ｏ ４ 结语 新的快速模式选择算法可以降低视频编码的复杂 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉ ｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｗ－Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＧＡＯ Ｓｈｕａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｂｉｎ （Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３８０８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｉｎｔｒａ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｉｔ－ ｓｅｌｆ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｉｔｓ ｍａｃｒｏｂｌｏｃｋ ｐｉｘｅｌ ｖａｌｕｅｓ ｆｌａｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｐａｔ・ ｔｅｒｎ ｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｒｏｂｌｏｃｋ，ｅｘｃｌｕｄｅｓ ａ ｓｍａｌｌ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅ— ｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｇｒｅａｄｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｆｒａｍｅ ｃｏｄｅ ｓｅａｒｃｈ ｍｏｄｅ ｒａｎｇｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｈｍ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏｄｉｔｎｇ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓａｖｉｎｇｓ ａｂｏｕｔ ５２．４０％ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ，ｗｈｉｌｅ ｅｎｓｕｒｅｓ ｖｉｄｅｏ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｃｈｉｅｖｅｓ ａ ｌｏｗ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｖｉｄｅｏ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｒａ Ｃｏｄｉｎｇ；Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ；Ｉｎｔｒａ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；Ｆａｓｔ Ｍｏｄｅ Ｃｈｏｉｃｅ ＠ 现代计算机２０１１．０１