《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于H.264視頻編碼的快速模式?jīng)Q策算法
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期
吳桂清, 陳彥芳, 厲振武
湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 長沙410082
摘要： 針對(duì)H.264視頻壓縮中模式?jīng)Q策部分計(jì)算復(fù)雜度過高的問題，提出了一種實(shí)時(shí)的快速模式?jīng)Q策算法。首先，在帕累托最優(yōu)宏塊分類方法的基礎(chǔ)上制定類決策指標(biāo)，劃分宏塊類；然后，檢測宏塊的運(yùn)動(dòng)活躍性，為當(dāng)前宏塊選擇率失真代價(jià)較小的模式，提前作出模式?jīng)Q策，得到最佳模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法與參考編碼器相比，在比特率平均增加0.09%、峰值信噪比平均損失0.19dB的情況下，編碼時(shí)間平均減少了64.28%。
中圖分類號(hào)： TN919.81 TP301.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)04-0109-03
Fast mode decision algorithm based on H.264
Wu Guiqing, Chen Yanfang, Li Zhenwu
College of Electrical and Information Engineering,Hunan University, Changsha 410082, China
Abstract： With the problem of high computation complexity in mode dicision pattern of H.264 video compression,a real-time fast mode decision algorithm was poposed. Firstly, the method formulated class decision metrics, divided MB class based on Pareto-optimal macroblock(MB) classification scheme; Then, the method detected the motion activity of macroblocks,selected mode which with low rate-distortion cost for current macroblock,made mode dicision in advance and got the best mode.Compared with the reference coder, experimental results show that the proposed algorithm can achieve a reduction of 64.28% encoding time on average,with a negligible average 0.09% bit rate increasing and a PSNR(Peak Signal to Noise Ratio) loss of 0.19 dB.
Key words : H.264 coding standard;complexity;Pareto-optimal; fast mode decision

     近年來，多媒體通信領(lǐng)域有了長足的發(fā)展，高效的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是其中的關(guān)鍵因素。相較于傳統(tǒng)的編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在低比特率下提供了更高的編碼效率，然而其編碼復(fù)雜度也明顯增加[1]。目前在減少H.264視頻編碼計(jì)算復(fù)雜度方面，已有大量算法研究。這些算法側(cè)重于預(yù)測模式并提前終止預(yù)測，目的是減少總編碼時(shí)間，從而降低視頻編碼器的計(jì)算復(fù)雜度,但并不適于維持恒定幀編碼的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

    本文提出了一種減小H.264視頻編碼計(jì)算復(fù)雜度的快速模式?jīng)Q策算法。該方法以帕累托最優(yōu)宏塊定義和率失真代價(jià)模式預(yù)測指標(biāo)為基礎(chǔ)，制定類決策指標(biāo)，劃分宏塊類，優(yōu)化了已有的模式?jīng)Q策算法。同時(shí)，提高了H.264視頻編碼器實(shí)時(shí)軟件編碼的效率。
1減小H.264編碼復(fù)雜度分析
    通常對(duì)減少H.264標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜度的研究包括兩方面：非實(shí)時(shí)低復(fù)雜度算法和實(shí)時(shí)算法實(shí)現(xiàn)。
1.1 實(shí)時(shí)H.264編碼算法
　 實(shí)時(shí)編碼器要求保持恒定的幀編碼時(shí)間，有多種H.264編碼器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)復(fù)雜度控制算法，如幀內(nèi)預(yù)測編碼算法[1]。該算法利用宏塊分割進(jìn)行邊界方向檢測，得到圖像紋理方向，只對(duì)最可能的幾種模式進(jìn)行預(yù)測，從而減少運(yùn)算量；另有算法根據(jù)時(shí)域和空域活動(dòng)指標(biāo)限制搜索模式，并考量拉格朗日參數(shù)以降低計(jì)算復(fù)雜度和率失真代價(jià)[2]。上述方法并不包含前向SKIP預(yù)測和幀緩沖技術(shù)，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度高；而缺乏幀緩沖則意味著必須保守估計(jì)幀編碼時(shí)間，從而導(dǎo)致20%的時(shí)鐘周期閑置。
1.2 低復(fù)雜度H.264編碼
    H.264編碼的關(guān)鍵創(chuàng)新是它提供了多達(dá)7種幀間編碼模式：16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8和4×4[3]，從而獲得更準(zhǔn)確的預(yù)測和更高的編碼效率。
    傳統(tǒng)模式?jīng)Q策算法分析了所有可能的宏塊類型，遍歷每種編碼模式，以選擇率失真代價(jià)最小的模式，運(yùn)算量極大。率失真代價(jià)J的計(jì)算公式為：


2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    為考量本文算法的性能，從輸出碼率、總編碼時(shí)間和PSNR三方面，將其與H.264參考軟件JM10.2進(jìn)行比較。采用經(jīng)典視頻序列的前300幀進(jìn)行測試，測試條件：圖像大小為CIF，幀率為30 f/s,CABAC編碼,選用5個(gè)參考幀；編碼幀結(jié)構(gòu)QP為IBBP,打開率失真優(yōu)化。統(tǒng)計(jì)每個(gè)序列在QP為28、32、36和40時(shí)的輸出碼率BR、編碼時(shí)間t和PSNR，并按下述公式計(jì)算?駐BR、Δt和ΔPSNR,本文算法與JM10.2編碼性能參數(shù)的比較結(jié)果如表2所示。
 
     Mobile視頻序列的率失真曲線如圖2所示。本算法的率失真曲線幾乎和參考編碼器的曲線一致。

     本文算法在最低編碼效率損失的前提下顯著降低了復(fù)雜度。E指標(biāo)的最大值是5.21，而參考編碼器的E值約為10；本算法的率失真曲線幾乎和參考編碼器的曲線一致；視頻序列的總編碼時(shí)間減少了57.2%~70%。由于算法相對(duì)于原來的編碼器產(chǎn)生了略高的SKIP速率,導(dǎo)致低運(yùn)動(dòng)序列的比特率有所降低，PSNR存在0.08~0.26 dB的退化是合理的。
    本文研究了實(shí)時(shí)H.264高效視頻編碼，對(duì)宏塊進(jìn)行了分類，將類決策算法與率失真代價(jià)指標(biāo)用于提前結(jié)束算法和前向SKIP預(yù)測，并給出了基于帕累托最優(yōu)宏塊分類的快速模式?jīng)Q策算法。該算法降低了H.264視頻編碼的總復(fù)雜度，減少了編碼時(shí)間。后續(xù)的工作包括改善宏塊類的J預(yù)測模型；優(yōu)化閾值的標(biāo)準(zhǔn)，使用自適應(yīng)閾值進(jìn)一步改善類決策的精確度。
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