搜索
您的当前位置:首页正文

低复杂度视频编码算法研究与实现

2021-07-21 来源:易榕旅游
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 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top