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基于H.264實現(xiàn)最優(yōu)重疊塊匹配加權(quán)窗的系數(shù)設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 ? 作者:汪志兵;王文生 ? 2021-03-28 12:43 ? 次閱讀

作者:汪志兵;王文生;路羊;崔慧娟;唐昆

進(jìn)一步提高視頻壓縮效率,將重疊塊運動預(yù)測補償與H.264視頻編碼框架中的可變大小塊運動預(yù)測相結(jié)合,根據(jù)不同塊的編碼模式,自適應(yīng)調(diào)整重疊塊運動補償?shù)募訖?quán)系數(shù)。實驗結(jié)果表明,所提出的基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運動補償對于較復(fù)雜的序列,在較高目標(biāo)碼率下,最大編碼增益可達(dá)0.21 dB,顯著提高了H.264的編碼效率。

隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展,越來越多的數(shù)字視頻業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。H.264標(biāo)準(zhǔn)正是為適應(yīng)各種業(yè)務(wù)增長對于運動圖像壓縮率的更高要求而制定的。在H.264中,引入了可變大小的塊運動預(yù)測、多幀預(yù)測、1/4像素插值等技術(shù),以進(jìn)一步提高運動預(yù)測的精度,提高了視頻壓縮效率。

高壓縮效率下,基于塊運動預(yù)測和補償(block motion compensation,BMC)的視頻壓縮算法會產(chǎn)生塊效應(yīng),嚴(yán)重影響了重建視頻的主觀質(zhì)量。在H.264中,在運動預(yù)測/補償環(huán)路中引入去除塊效應(yīng)濾波器以降低塊效應(yīng)的影響。另一方面,文證明了重疊塊運動補償(overlapped blockmotion compensation,OBMC)也是降低塊效應(yīng)、提高預(yù)測精度的一種有效手段,并研究了最優(yōu)重疊塊匹配加權(quán)窗的系數(shù)設(shè)計方法。但以上算法尚未在重疊塊運動補償中有效利用H.264現(xiàn)有編碼框架中的多種預(yù)測模式,在H.264框架中引入重疊塊運動補償,可以進(jìn)一步提高其編碼效率。

本文提出了一種基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運動補償算法。該算法根據(jù)周圍已編碼塊的編碼模式,自適應(yīng)選擇加權(quán)系數(shù)提高當(dāng)前編碼塊的運動預(yù)測精度。實驗結(jié)果表明,本算法在高碼率時,最大編碼增益可達(dá)0.21 dB,提高了H.264的編碼效率。

1 基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運動補償

文提出重疊塊運動補償提高了預(yù)測精度和編碼效率,并均衡了失真分布。在OBMC中,對于當(dāng)前編碼塊,可以擁有多個備選運動矢量,包括其自身的運動矢量和周圍已編碼塊的運動矢量。通過引入一組加權(quán)系數(shù),對每個候選的運動預(yù)測塊加權(quán)得到最終的運動預(yù)測。

考慮到H.264中最基本的編碼單位是44,為了描述方便,本算法中的OBMC選擇的塊大小為44。在實際實現(xiàn)中,為了提高運算速度,可以針對不同的編碼模式采取相應(yīng)的OBMC塊大小。對于當(dāng)前幀內(nèi)每個塊,如圖1所示,其備選運動矢量集由其自身的運動矢量和周圍塊的運動矢量組成。令Bc表示當(dāng)前編碼塊,Bi(i=1,2,3,4)表示其相鄰塊,相應(yīng)的運動矢量為vc、vi。

如圖2所示,假設(shè)p表示當(dāng)前編碼塊內(nèi)像素的坐標(biāo),表示該像素采用OBMC得到的運動預(yù)測值,則有

其中,fn-1(p)表示參考幀中位置p處的像素值,而ωc(p)、ωi(p),1≤i≤4分別表示OBMC的加權(quán)系數(shù),且應(yīng)滿足以下約束

在對Bc塊進(jìn)行編碼時,B2和B4塊的運動矢量有可能還未進(jìn)行編碼(當(dāng)B2、B4塊與Bc塊不在同一個宏塊中時)。此時為了保證編、解碼的同步,約定B2和B4的運動矢量設(shè)為vc。

j基于H.264實現(xiàn)最優(yōu)重疊塊匹配加權(quán)窗的系數(shù)設(shè)計

由于塊Bi內(nèi)不同位置p的加權(quán)系數(shù)是不均勻的,它們的取值構(gòu)成加權(quán)矩陣Wi。Wi的設(shè)置在很大程度上影響了OBMC的編碼效率。文給出了若干Wi的選取方法,然而,它針對的是運動預(yù)測塊的劃分為固定的情況。

由于H.264中采取了可變大小塊運動預(yù)測,從定性上來看,劃分較小的運動預(yù)測塊所對應(yīng)的運動矢量一般來說更加精確,也更能夠反映相鄰塊的運動趨勢。基于該假設(shè),屬于較小劃分的塊所對應(yīng)的運動矢量,在OBMC中應(yīng)被賦予更大的權(quán)重,以進(jìn)一步提高OBMC的運動預(yù)測精度,提高編碼效率。

根據(jù)這一推論,本算法采用了一種基于編碼模式的自適應(yīng)OBMC算法。對于當(dāng)前編碼塊Bc的每個鄰近塊Bi,定義一個加權(quán)矩陣集合si,根據(jù)Bc和Bi的編碼模式,選取合適的加權(quán)矩陣Wi∈Si。也就是說,加權(quán)矩陣的選取策略取決于2個塊各自對應(yīng)的編碼模式。例如,假設(shè)相鄰塊Bl對應(yīng)的運動預(yù)測塊大小為88,當(dāng)Bc的預(yù)測塊大小為1616,相應(yīng)于v1的加權(quán)系數(shù)矩陣為W161,當(dāng)Bc的預(yù)測塊大小為44時,相應(yīng)于v1的加權(quán)系數(shù)矩陣為W41。加權(quán)矩陣的選擇策略應(yīng)該保證對于加權(quán)矩陣中每個位置(m,n)的系數(shù),都有。在實際實現(xiàn)中,可以采用查找表來存儲選擇策略。同時,加權(quán)矩陣集合和相應(yīng)的選擇策略可以通過對若干測試序列進(jìn)行訓(xùn)練而獲得。

在采用OBMC后,相應(yīng)運動搜索的度量準(zhǔn)則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正。在本文中,為了降低實現(xiàn)復(fù)雜度,對運動矢量的搜索不采取迭代的方法。此時,在進(jìn)行運動搜索時,當(dāng)前塊選取的運動矢量不僅決定了其自身的運動預(yù)測值,也會影響到其右邊及下邊塊的運動預(yù)測值(左邊及上邊塊的運動矢量已經(jīng)確定,不再進(jìn)行考慮)。為了反映這種影響,將運動搜索的準(zhǔn)則重新定義為

其中:第1項是當(dāng)前塊的預(yù)測誤差的絕對誤差和;第2、3項反映了對右邊和下邊塊的預(yù)測誤差影響;第4項中bv為對運動矢量的編碼所需的速率。

2 實驗結(jié)果

本實驗采用H.264參考代碼JMl0.1作為仿真平臺,給出了各種CIF(common intermedia format)和QCIF(quarter common intermedia format)測試序列的測試結(jié)果。在本實驗中,編碼器設(shè)置為:率失真打開,參考幀數(shù)為1,可選的編碼模式為7,采取內(nèi)容自適應(yīng)變長熵編碼編碼,運動搜索范圍為1616,每個幀組包括1個I幀和49個P幀,所有幀均采用相同的量化參數(shù)。

表1給出了各測試序列的QP設(shè)置分別為20、24、28、32時,峰值信噪比(peek signal noise ratio,PSNR)和碼率的對比。按照文提出的PSNR和碼率的插值算法,表2給出了對于不同測試序列本算法和標(biāo)準(zhǔn)的H.264壓縮效率的對比。從這些結(jié)果可以看出:采用OBMC的編碼增益隨著編碼速率的增加而提高。在高碼率時,最高編碼效率可提高0.21 dB。當(dāng)編碼序列的運動比較復(fù)雜時,如Coastguard和Tempete序列,編碼增益也比較明顯。這種現(xiàn)象也符合上述對OBMC優(yōu)越性的分析。

表3給出了對Foreman序列進(jìn)行QP=24編碼時,P幀各部分信息所占用比特數(shù)的對比。可以看到,采用OBMC算法明顯降低了編碼運動矢量信息和亮度殘差信息的速率。為了簡潔起見,沒有對色度信號的運動補償采用重疊塊模式,因此,表示色度殘差信號所需的碼率與原算法相當(dāng)。

3 結(jié) 論

為了將OBMC與標(biāo)準(zhǔn)中的可變塊大小運動補償結(jié)合起來,提出了根據(jù)相鄰塊編碼模式選擇OBMC加權(quán)矩陣的算法。仿真試驗表明,OBMC的采用可帶來平均0.1 dB以上的編碼增益。對于高復(fù)雜度序列在高速率下的編碼,最高增益可達(dá)0.2 dB.

下一步將對加權(quán)系數(shù)矩陣的自適應(yīng)進(jìn)行研究,以進(jìn)一步提高編碼效率。另外,并不是每個宏塊采用OBMC都可以帶來編碼增益。可以研究在宏塊級別引入一個標(biāo)志,指示該宏塊是否采取OBMC。這種靈活性將進(jìn)一步提高編碼效率。

責(zé)任編輯:gt

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