- 相關(guān)推薦
針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)的H.264視頻編碼算法改進(jìn)
摘要：從硬件實(shí)現(xiàn)的角度分析了H.264算法，重點(diǎn)研究了占用最多運(yùn)算時(shí)間的預(yù)測(cè)部分的優(yōu)化，給出了對(duì)幀內(nèi)預(yù)測(cè)、哈達(dá)馬變換以及運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的改進(jìn)，通過(guò)簡(jiǎn)化運(yùn)算復(fù)雜、效率不高的模塊以及減少模塊間數(shù)據(jù)相關(guān)性等，對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)各種測(cè)試序列的仿真，證明改進(jìn)是有效的。H.264[1]最初是由ITU-T起草的，在未來(lái)將成為ITU-T和MPEG的聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)。H.264因?yàn)樘峁┝撕芨叩木幋a壓縮效率、友好的面向網(wǎng)絡(luò)的接口，將成為下一代新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。但是編碼效率很高的同時(shí)，其算法的復(fù)雜度也提高了四倍，這在很大程序上限制了它的實(shí)現(xiàn)。因此，必須針對(duì)硬件的實(shí)現(xiàn)做改進(jìn)和優(yōu)化。
H.264的最初測(cè)試模型（JM）[2]是為了取得高的編碼效果而設(shè)計(jì)的。在這個(gè)測(cè)試模型中，有很多的算法需要很大的運(yùn)算量，但是編碼效率的提高卻不多，并且很多模擬之間是數(shù)據(jù)相關(guān)的，這一點(diǎn)限制了用并行處理加速硬件的實(shí)現(xiàn)。
以前有文章分析過(guò)這種新的視頻編碼的復(fù)雜度[3～5]。但是這些研究都是通過(guò)軟件的分析得到H.264算法的復(fù)雜度的。這些結(jié)果對(duì)在軟件中的應(yīng)用是精確的，但是當(dāng)涉及硬件設(shè)計(jì)的并行處理時(shí)，就不再適用了。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較可以得出，在H.264硬件實(shí)現(xiàn)上的關(guān)鍵點(diǎn)是預(yù)測(cè)部分，因?yàn)榇四K所占的計(jì)算時(shí)間幾乎是總時(shí)間的90%。所以改進(jìn)的重點(diǎn)在預(yù)測(cè)部分。
1 H.264算法
圖1是關(guān)于一幀圖像的幀內(nèi)預(yù)測(cè)間預(yù)測(cè)的算法框圖。如果采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)，幀間預(yù)測(cè)部分將不進(jìn)行判斷。在進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí)，會(huì)使用多幀預(yù)測(cè)和可變塊大小的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。編碼模式選擇部分在所有的預(yù)測(cè)模式中選擇一個(gè)最佳的預(yù)測(cè)模式。
預(yù)測(cè)之后用原始的輸入幀和預(yù)測(cè)幀相減，得到殘差數(shù)據(jù)塊。對(duì)于亮度殘差塊做4×4整數(shù)DCT變換，對(duì)于色度殘差塊的DC系數(shù)則進(jìn)行2×2的整數(shù)DCT變換。對(duì)變換后的系數(shù)做掃描和量化處理后，再對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行熵編碼，最終成為輸出的碼流。編碼模式通過(guò)模式表，也會(huì)輸入到熵編碼器中。重建的循環(huán)過(guò)程包括反量化、反DCT變換和反塊濾波。最后，將重建幀寫入到幀緩沖器中，準(zhǔn)備在以后運(yùn)動(dòng)估計(jì)中使用。
因?yàn)樵诳臻g預(yù)測(cè)和時(shí)間預(yù)測(cè)上幾乎花費(fèi)了所有的計(jì)算能力，所以在JM 4.0上的算法改進(jìn)主要是在這兩部分上。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，這兩部分通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，所以要針對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化。
實(shí)現(xiàn)編碼器所用的硬件系統(tǒng)是基于宏塊，也就是說(shuō)編碼器是對(duì)一個(gè)個(gè)連續(xù)的宏塊進(jìn)行操作。整個(gè)編碼系統(tǒng)可以看作一個(gè)宏塊的流水線，所以有可能在開始編碼下一個(gè)宏塊時(shí)，上一個(gè)宏塊重建過(guò)程不定期沒(méi)有完成，這就影響了流水線的進(jìn)行。很多基于宏塊的商業(yè)編碼器正是采用這種硬件實(shí)現(xiàn)模式，所以處理好這個(gè)問(wèn)題至關(guān)重要。
2 幀內(nèi)預(yù)測(cè)
圖1中的編碼方框圖與H.261、H.263和MPEG-4中的相似。H.264中包含了4×4和16×16兩種幀內(nèi)預(yù)測(cè)部分。幀內(nèi)預(yù)測(cè)需要圖像重建的像素值才能實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)典型的基于宏塊的系統(tǒng)中，只有在完成整個(gè)編碼程序后，重建的像素值才能得到。這種數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，會(huì)給硬件的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)很大的困難。
2.1 4×4幀內(nèi)預(yù)測(cè)
圖2描述了4×4塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)中數(shù)據(jù)的相關(guān)性。從a到p的像素值是從A到N及Q的像素值預(yù)測(cè)出來(lái)的。用大寫字母表示重建的像素值。因?yàn)橐粋�(gè)宏塊由16個(gè)4×4的塊組成，所以當(dāng)前塊沒(méi)有完成編碼之前是不能得到重建的像素值的。在JM中用了雙通道算法實(shí)現(xiàn)這些塊的編碼。為了做一個(gè)4×4塊的預(yù)測(cè)，在JM中需要進(jìn)行變換、量化、反變換到反量化的過(guò)程。這對(duì)于一個(gè)硬件來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了。在現(xiàn)有的硬件水平上是不可能實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)這一點(diǎn)，需要對(duì)算法做如下改進(jìn)：所有預(yù)測(cè)中所有的重建幀像素值用輸入幀的原始值代替。通過(guò)這樣的改進(jìn)，4×4的幀內(nèi)預(yù)測(cè)和變換可以在宏塊的流水線上順利地實(shí)現(xiàn)。
2.2 16×16幀內(nèi)預(yù)測(cè)
圖3給出了16×16幀內(nèi)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)相關(guān)性。當(dāng)前宏塊的預(yù)測(cè)是基于重建幀中位于當(dāng)前宏塊位置上方的17個(gè)像素和左側(cè)的16個(gè)像素的。因?yàn)閷?duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)左邊宏塊的重建可能并未完全完成，當(dāng)用到當(dāng)前宏塊位置左側(cè)的那些像素時(shí)就用原始像素代替。
2.3 編碼模式選擇
按照前面所給出的改進(jìn)算法，如果只是簡(jiǎn)單地用原始像素代替重建像素的話會(huì)造成編碼模式選擇的誤差。圖4給出了幀內(nèi)編碼的率失真改進(jìn)的曲線，仿真的序列是“Claire”、10fps。從圖4中可以看出，由編碼模式選擇的誤差引起的PSNR下降是很明顯的。原始像素是屬于同一幀的，而重建像素經(jīng)過(guò)幀間或幀內(nèi)編碼去除了冗余度，所以與重建像素相比原始像素有更高的相關(guān)性。因而用改進(jìn)后的幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法產(chǎn)生的誤差要比用原算法大得多。為了減少編碼模式選擇的誤差，還需要對(duì)誤差代價(jià)函數(shù)（error cost function）進(jìn)行修改�，F(xiàn)在的做法是增加一個(gè)誤差項(xiàng)。這個(gè)誤差項(xiàng)體現(xiàn)原始像素和重建像素之間的差值。因?yàn)榱炕瘏?shù)（QP）能夠影響原始像素和重建像素之間的不匹配，所以誤差項(xiàng)的確定與量化參數(shù)值有關(guān)。在H.264中，隨著量化參數(shù)的線性增加，量化對(duì)編碼的影響是呈指數(shù)增加的。為了符合這種影響的增長(zhǎng)趨勢(shì)，誤差項(xiàng)的基本形式確定了a/b(51-Qp)，其中a和b是待定系數(shù)。如何確定a和b是影響誤差消除的關(guān)鍵。
在H.264中，每級(jí)Qp的增量是12%，所以理論上與之相匹配的參數(shù)b應(yīng)該設(shè)置為1.12。但是誤差代價(jià)函數(shù)的計(jì)算是在哈達(dá)碼變換
【針對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)的H.264視頻編碼算法改進(jìn)】相關(guān)文章：
基于塊分類的H.264視頻水印算法03-07
DM642上H.264編碼器的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)11-22
基于嵌入式Linux的終端AVI視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)03-07
H.264碼率控制算法研究03-07
動(dòng)態(tài)哈夫曼編碼的改進(jìn)03-18
圖像拼接算法及實(shí)現(xiàn)03-03