H264 帧内预测模式选择快速算法.doc
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1、精品论文H.264 帧内预测模式选择快速算法卢伟 武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉(430070) E-mail:摘要:H.264引入帧内预测编码并用率失真优化(RDO) 进行预测模式选择,这显著提高了 压缩率,但增大了计算复杂性。本文从帧内预测模式判决代价函数和减少选择模式的数目两 个方面,提出了一种改进的算法。实验结果表明,该算法在保持图像质量的同时,降低了计 算的复杂度并提高了编码速度。关键词:H.264;帧内预测;快速算法 中图分类号:TN919.81. 引 言基于空间域的帧内预测是 H.264 的一项重要的新技术,以前的标准只是利用宏块内部的 相关性,而忽视了宏块之间的相关性,因而
2、编码后的数据量一般很大,帧内预测则是利用了 图像的空间相关性,根据已解码的相邻块的信息来预测当前块的信息,对进一步提高编码的 性能具有重要作用,H.264 采用了 DRO 技术获得了较好的编码效果,但由于 H.264 支持帧 内预测模式很多,所有编码的复杂度很高。从帧内预测的重要性和预测的复杂性可以看出, 研究帧内预测的快速算法具有重要的实用价值。一般说来,减少帧内预测复杂度的方法有两种。一种是简化代价函数,因为代价函数 本身的计算就很复杂;另一种是减少所要计算的预测模式数,对于第二种方法,可以预先排 除某些可能性很小的预测模式或是提前终止选择较佳的预测模式,从而降低帧内预测的复杂 度。本文首
3、先介绍帧内预测算法的基本知识,其次对全搜索算法和当前存在的帧内预测模 式算法作出简要说明,并提出快算帧内预测模式选择算法,最后对实验结果进行分析。2.H.264 帧内预测模式选择算法H.264中帧内预测算法1支持两种块大小:4x4及16x16,根据已经编码及重建的块(当前 块上方,左方及左上方的块)来预测当前块,充分利用子块间的相关信息来降低码率。如图1 所示,一个4x4块包括16个像素a-p,周围块的像素AM已经解码生成。4x4预测模式表示如 何用全部或部分周围块的像素A-M来预测生成当前块的16个像素值a-p。在4x4帧内预测中共 有9种不同方向的预测模式,如图2所示,其中模式2为DC预测
4、,所有像素值(a-p)的预测值为(A+ B + C + D + I +J + K+ L) / 8。图1 4x4块及周围像素- 5 -图2 帧内预测模式类似地,在16x16预测中,周围宏块的33个像素被用来预测当前块,其中32个像素来自 上方和左方的宏块,一个像素来自左上方的宏块。16 x16有4种预测模式,如图3所示.图3 16x16块帧内预测模式8x8色度块的帧内预测模式与Intra_16x16基本相同,共4种模式:垂直预测、水平预测、 均值预测和平面预测模式。四种模式的具体计算与16x16亮度块的计算相似。下面给出H.264 的参考软件JM8.6模型2中采用RDO技术的全搜索帧内选择过程:
5、1)选择16x16分块下4种模式中的最小代价( RD _ cos t16 x16 )模式,代价按照如下计算。 A残差宏块分成16个4x4块分别进行hadamard变换。 B将以上变换的16个直流分量的1/4组成一个4x4块,对直流系数块进行hadamard变换。 C对所有的hadamard变换的系数的绝对值求和(a中的直流系数不计算在内),取和的1/2作为 RD _ cos t 。2)对16个4x4的小块分别计算9种帧内预测模式的代价,得到代价最小的模式,取16个最小代 价 之和得 到 RD _ cos t4 x 4 ,代 价计算 公 式 为 RD _ cos t = SSD + * R ,其
6、中 SSD =( x , y A )2s x , y , t s x , y , t , = 0.85 2(QP 12) / 3,R表示熵编码之后的码率。3)比较 RD _ cos t16 x16 、 RD _ cos t4 x 4 ,选择代价较小的作为帧内预测模式。3. 快速算法的提出用全搜索法计算一个宏块的预测模式,需要计算 592 个不同的代价函数以选择最佳模 式,计算复杂度很大,需要采用一些快速算法进行优化。Feng PAN 等人在 JVT 会议提出了 一种基于边缘方向直方图的快速决策算法3,这种方法运用 sobel 算子映射出的边缘方向上的采样点对当前像素进行预测,通过边缘方向来确定
7、候选模式,降低了运算量。Bojun Meng等人在文献提出了一种基于分组像素点的快速决策算法45,用分组像素点来代表一个块, 在决策的每一个步骤中仅计算一组像素点的代价函数,以此减少计算点数,简化运算。这两 种算法各有优缺点,但基本上能在保持编码效率的基础上减少运算的复杂度。本文在这个两 种算法的基础上及对代价函数的简化,提出了一种快速模式选择算法。3.1 代价函数选取在 JM8.6 模型中为了降低复杂度,也可以不使用 RDO 计算代价的方法而采用如下计 算方法:对于 4x4 块使用 Cost = SA(T )D + 4 * P * ,其中 SATD 表示进行 Hadmard 变换之1,mod
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