H.264中多參考幀預(yù)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化
運(yùn)動(dòng)估計(jì)是去除視頻序列相鄰幀之間冗余信息的有效方法,對(duì)整個(gè)視頻編碼效果有重要的影響。由兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO/IEC的MPEG和ITU-T的VCEG）共同制定的最新的國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC仍然采用成熟的基于塊的混合編碼框架,但由于引入了很多新的編碼技術(shù),如多參考幀預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)估計(jì),從而可以提供更高的編碼效率。
以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-4和H.263等都只支持一個(gè)參考幀預(yù)測(cè)。H.264不同于以前的標(biāo)準(zhǔn),采用了多參考幀預(yù)測(cè)技術(shù),使得運(yùn)動(dòng)搜索范圍從原來的一個(gè)參考幀擴(kuò)展為多個(gè)解碼后的參考幀,這樣通常能找到更精確的匹配,從而有助于獲得更高的編碼效率。但是多參考幀預(yù)測(cè)技術(shù)同時(shí)也存在一些缺點(diǎn),對(duì)存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力要求更高。
H.264中引入的拉格朗日率失真最優(yōu)策略采用窮盡搜索在所有候選參考幀中選擇率失真成本最低的參考幀。拉格朗日率失真最優(yōu)模式選擇問題可表述為：
其中m=(mx,my)T表示某個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量,REF表示某個(gè)參考幀,Jmotion(s,c,m,REF\f1λMotion)表示在運(yùn)動(dòng)矢量m和參考幀REF下的率失真成本,s為原始的視頻信號(hào),c(m,REF)為在運(yùn)動(dòng)矢量m和參考幀REF下的重構(gòu)視頻信號(hào),λmotion為拉格朗日乘子,R（m-P）表示編碼運(yùn)動(dòng)矢量m的比特?cái)?shù),R（REF）表示編碼參考幀REF的比特?cái)?shù),SAD（s,c,m,REF）(SumAbsolute Difference)為原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)之間的絕對(duì)差和,采用（2）式計(jì)算：
其中B1,B2表示塊的水平和垂直像表數(shù),可以取值16,8或4。
設(shè)m表示運(yùn)動(dòng)矢量搜索范圍,若只允許一個(gè)參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè),那么每個(gè)宏塊需要搜索（2×m+1）2個(gè)候選點(diǎn);若允許N個(gè)參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè),那么每個(gè)宏塊總共有N×2×m+1）2個(gè)候選搜索點(diǎn)。這意味著,運(yùn)動(dòng)搜索的計(jì)算量、編碼時(shí)間隨著預(yù)測(cè)中總參考幀數(shù)成倍增長(zhǎng)。允許的參考幀數(shù)越多,運(yùn)動(dòng)搜索的計(jì)算量、編碼時(shí)間就越大。
為了減少上述多參考幀預(yù)測(cè)技術(shù)中存在的問題,本文利用相鄰幀間很高的相關(guān)性提出了一種低復(fù)雜度的快速多參考幀選擇算法。
1 快速多參考幀預(yù)測(cè)算法
在H.264運(yùn)動(dòng)估計(jì)中,多參考幀運(yùn)動(dòng)搜索過程在7種不同的塊大小和形狀條件下進(jìn)行,執(zhí)照從16×16到4×4的順序依次進(jìn)行。對(duì)于每一個(gè)塊編碼大小,需要在所有可能的參考幀中找出率失真成本最低的參考幀和其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。多參考幀運(yùn)動(dòng)搜索過程首先從概率較高的參考幀REF(0)開始,一直進(jìn)行到距離當(dāng)前編碼幀最遠(yuǎn)的參考幀REF（N-1）.
由于視頻序列相鄰幀間存在很強(qiáng)的時(shí)域相關(guān)性,一般情況下,最優(yōu)的匹配通常位于與當(dāng)前編碼幀緊密相鄰的參考幀,本文采用REF（0）表示這一參考幀;其余的參考幀（在本文中表示為REF（i）,i=1,2,…,N-1,設(shè)允許的最大參考幀數(shù)為N）被選中的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一個(gè)參考幀REF(0)。
為了進(jìn)一步了解不同參考幀在實(shí)際視頻序列中被采納的情況,本文選擇了幾個(gè)典型的視頻測(cè)試序列,并利用拉格朗日率失真最優(yōu)搜索策略,在不同參考幀數(shù)條件下統(tǒng)計(jì)不同參考幀的被選中概率,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出,在所有參考幀,REF（0）成為最優(yōu)參考幀的概率最高,概率高達(dá)88.67%,而其余所有參考幀被選中的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于REF（0）。
