H.264/AVC视频标准的快速编码优化算法

摘要

伴随着Internet流媒体的普及和多种新通信技术的出现，人们不再仅仅满足于单一的数据通信和语音通信，而大幅度增加了对以数字图像和视频为代表的多媒体传输业务。相比其他的通信业务，数字视频通信需要占用更多的带宽资源，为了实现在带宽受限条件下的高效传输，视频源就必须经过有效的编码压缩以降低通信负荷。因此视频编码技术作为各种视频应用和视频服务的基础，已成为目前多媒体技术研究的热点之一。国际上视频编码标准主要有两大系列：国际电信联合会(ITU)针对低码率视频通信而制定的H.26x系列视频编码标准和ISO/IECJTC1针对多媒体数据存储而制定的MPEG系列标准。 H.264/AVC是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG联合制定并于2003年正式颁布的最新视频编码标准，是目前压缩效率最高的编码规则。最新的视频编码标准H.264具有很多传统标准无法比拟的优点[1]，它显著提高了编码效率，能够在保证重建图像质量的同时有效降低码率[2]，H.264所采用的新技术主要包括多模式的帧内、帧间预测和1/4像素精度的运动估计技术等。 H.264/AVC高编码压缩比这一特点能够适应更加广泛的视频应用，但是压缩比的提高是以增加算法复杂度为代价的，这导致H.264编码速度十分缓慢，限制了该标准在实时环境下的应用。 本文针对这一问题而开展，在JM测试平台上，对帧间模式选取、帧内预测编码和运动估计等技术进行深入的研究，在保证H.264/AVC标准高压缩比的同时，优化其编码算法，大幅提高编码速度。本文中有意义的工作和贡献如下： 首先，提出帧内预测编码优化方案。采用双阈值的宏块灰度直方图法来提前判断使用Intra4×4编码模式还是Intra16×16编码模式；而在使用Intra4×4子块预测模式的情况下，根据子块预测的特性，又提出了基于子块预测方向特征的快速算法，以减少对预测方向的选择。经过算法优化后，帧内编码模式搜索过程的平均复杂度降低了30％以上，同时保证基本不降低图像质量； 其次，提出帧间预测编码优化方案。在优化运动矢量估计方面，将原始的全搜索模板改进为六边形-矩形搜索模板；对高版本JM模型所使用的非对称十字型多层次六边形格点搜索模板，提出了根据运动剧烈程度而自适应选择六边形搜索层数的优化方案，同时减少部分搜索点。在帧间编码模式选择方面，通过分析帧间各预测模式的概率统计特性，对其中某些模式如SKIP模式、Inter16×16模式、帧内模式等，进行预判以终止不必要的宏块搜索和率失真计算，减少编码时间开销。实验结果表明，在基本不影响图像质量和输出码率的前提下，编码时间平均节省70％，有效提高了编码速度； 最后，设计与实现了对针对H.264的视频编/解码、传输和播放实验系统。为了便于管理和用户使用，采用ISP技术和基于TCP/IF协议，开发了基于客户端/服务器端(C/S)架构的视频服务系统。它可以进行基于YUV编码空间适用于CIF、QCIF等多种格式视频播放，并提供了帧率控制、播放的起始帧与终止帧任意选择与传输控制等多种功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 视频传输的研究现状

1.2.2 H.264关键技术的研究现状

1.3 本论文的研究内容及目标

1.4 论文的结构安排

第2章 H.264视频编码标准简述及其关键技术

2.1 经典的视频编码技术与H.264标准

2.2 H.264视频编码标准简述及其关键技术

2.2.1 运动补偿技术和图像的分割

2.2.2 整数DCT变换技术

2.2.3 熵编码技术

2.2.4 多参考帧技术

2.2.5 码率控制技术

2.2.6 1/4像素精度插值

2.2.7 去块效应滤波器

2.3 H.264视频编码标准的码流结构和分层结构

2.3.1 H.264标准的码流结构

2.3.2 H.264标准的分层结构

2.4 H.264视频编码标准的编码结构和解码结构

2.4.1 H.264标准的编码结构

2.4.2 H.264标准的解码结构

2.5 本章小结

第3章H.264帧内预测编码改进算法

3.1 H.264帧内预测编码概述

3.1.1 H.264帧内预测编码的流程

3.1.2 帧内4×4子块的预测编码

3.1.3 帧内16×16块的预测编码

3.2 H.264帧内预测编码改进算法

3.2.1 目前的研究现状

3.2.2 基于直方图的帧内预测模式预判

3.2.3 基于Intra4×4编码模式的快速判决算法

3.3 H.264帧内预测编码改进算法流程图

3.4 实验数据和优化效果分析

3.5 本章小结

第4章 H.264帧间预测编码改进算法

4.1 H.264.帧问预测编码概述

4.1.1 H.264帧间预测编码的流程

4.1.2 H.264运动估计和率失真RDO模型

4.2 H.264运动估计和运动补偿

4.2.1 运动估计和运动矢量

4.2.2 运动估计的块匹配法

4.3 H.264帧间预测编码改进算法

4.3.1 目前的研究现状

4.3.2 运动矢量估计的优化

4.4 帧间编码模式的快速选择算法

4.4.1 帧间编码各种模式的统计特性

4.4.2 SKIP模式的预判

4.4.3 Inter16×16模式的提前判决

4.4.4 帧内模式的提前判决

4.4.5 快速模式选择的算法步骤

4.5 H.264帧间预测编码改进算法流程图

4.6 实验数据和优化效果分析

4.7 本章小结

第5章 H.264视频点播和网站、播放器设计与实现

5.1 TCP／IP协议和网络传输

5.1.1 TCP／IP协议

5.1.2 网络流媒体技术

5.1.3 基于Socket通信编程的客户端／服务器端(C／S)结构

5.2 基于JSP的网页开发

5.2.1 JSP简介

5.2.2 网页开发

5.3 视频点播系统

5.4 基于YUV颜色空间的视频播放器

5.4.1 整体概述

5.4.2 RGB和YUV颜色空间的转换

5.4.3 基于FTP的H.264传输平台

5.5 本章小结

结论

展 望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果及所获奖励

致谢