基于H．264實(shí)現最優(yōu)重疊塊匹配加權窗的系數設計

作者：汪志兵；王文生；路羊；崔慧娟；唐昆

進(jìn)一步提高視頻壓縮效率，將重疊塊運動(dòng)預測補償與H．264視頻編碼框架中的可變大小塊運動(dòng)預測相結合，根據不同塊的編碼模式，自適應調整重疊塊運動(dòng)補償的加權系數。實(shí)驗結果表明，所提出的基于編碼模式的自適應重疊塊運動(dòng)補償對于較復雜的序列，在較高目標碼率下，最大編碼增益可達0．21 dB，顯著(zhù)提高了H.264的編碼效率。

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和多媒體技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的數字視頻業(yè)務(wù)不斷涌現。H．264標準正是為適應各種業(yè)務(wù)增長(cháng)對于運動(dòng)圖像壓縮率的更高要求而制定的。在H．264中，引入了可變大小的塊運動(dòng)預測、多幀預測、1/4像素插值等技術(shù)，以進(jìn)一步提高運動(dòng)預測的精度，提高了視頻壓縮效率。

在高壓縮效率下，基于塊運動(dòng)預測和補償（block motion compensation，BMC）的視頻壓縮算法會(huì )產(chǎn)生塊效應，嚴重影響了重建視頻的主觀(guān)質(zhì)量。在H．264中，在運動(dòng)預測／補償環(huán)路中引入去除塊效應濾波器以降低塊效應的影響。另一方面，文證明了重疊塊運動(dòng)補償（overlapped blockmotion compensation，OBMC）也是降低塊效應、提高預測精度的一種有效手段，并研究了最優(yōu)重疊塊匹配加權窗的系數設計方法。但以上算法尚未在重疊塊運動(dòng)補償中有效利用H．264現有編碼框架中的多種預測模式，在H．264框架中引入重疊塊運動(dòng)補償，可以進(jìn)一步提高其編碼效率。

本文提出了一種基于編碼模式的自適應重疊塊運動(dòng)補償算法。該算法根據周?chē)丫幋a塊的編碼模式，自適應選擇加權系數提高當前編碼塊的運動(dòng)預測精度。實(shí)驗結果表明，本算法在高碼率時(shí)，最大編碼增益可達0．21 dB，提高了H．264的編碼效率。

1 基于編碼模式的自適應重疊塊運動(dòng)補償

文提出重疊塊運動(dòng)補償提高了預測精度和編碼效率，并均衡了失真分布。在OBMC中，對于當前編碼塊，可以擁有多個(gè)備選運動(dòng)矢量，包括其自身的運動(dòng)矢量和周?chē)丫幋a塊的運動(dòng)矢量。通過(guò)引入一組加權系數，對每個(gè)候選的運動(dòng)預測塊加權得到最終的運動(dòng)預測。

考慮到H．264中最基本的編碼單位是44，為了描述方便，本算法中的OBMC選擇的塊大小為44。在實(shí)際實(shí)現中，為了提高運算速度，可以針對不同的編碼模式采取相應的OBMC塊大小。對于當前幀內每個(gè)塊，如圖1所示，其備選運動(dòng)矢量集由其自身的運動(dòng)矢量和周?chē)鷫K的運動(dòng)矢量組成。令Bc表示當前編碼塊，Bi（i=1，2，3，4）表示其相鄰塊，相應的運動(dòng)矢量為vc、vi。

如圖2所示，假設p表示當前編碼塊內像素的坐標，表示該像素采用OBMC得到的運動(dòng)預測值，則有

其中，fn-1（p）表示參考幀中位置p處的像素值，而ωc（p）、ωi（p），1≤i≤4分別表示OBMC的加權系數，且應滿(mǎn)足以下約束

在對Bc塊進(jìn)行編碼時(shí)，B2和B4塊的運動(dòng)矢量有可能還未進(jìn)行編碼（當B2、B4塊與Bc塊不在同一個(gè)宏塊中時(shí)）。此時(shí)為了保證編、解碼的同步，約定B2和B4的運動(dòng)矢量設為vc。

由于塊Bi內不同位置p的加權系數是不均勻的，它們的取值構成加權矩陣Wi。Wi的設置在很大程度上影響了OBMC的編碼效率。文給出了若干Wi的選取方法，然而，它針對的是運動(dòng)預測塊的劃分為固定的情況。

由于H．264中采取了可變大小塊運動(dòng)預測，從定性上來(lái)看，劃分較小的運動(dòng)預測塊所對應的運動(dòng)矢量一般來(lái)說(shuō)更加精確，也更能夠反映相鄰塊的運動(dòng)趨勢?；谠摷僭O，屬于較小劃分的塊所對應的運動(dòng)矢量，在OBMC中應被賦予更大的權重，以進(jìn)一步提高OBMC的運動(dòng)預測精度，提高編碼效率。

根據這一推論，本算法采用了一種基于編碼模式的自適應OBMC算法。對于當前編碼塊Bc的每個(gè)鄰近塊Bi，定義一個(gè)加權矩陣集合si，根據Bc和Bi的編碼模式，選取合適的加權矩陣Wi∈Si。也就是說(shuō)，加權矩陣的選取策略取決于2個(gè)塊各自對應的編碼模式。例如，假設相鄰塊Bl對應的運動(dòng)預測塊大小為88，當Bc的預測塊大小為1616，相應于v1的加權系數矩陣為W161，當Bc的預測塊大小為44時(shí)，相應于v1的加權系數矩陣為W41。加權矩陣的選擇策略應該保證對于加權矩陣中每個(gè)位置（m，n）的系數，都有。在實(shí)際實(shí)現中，可以采用查找表來(lái)存儲選擇策略。同時(shí)，加權矩陣集合和相應的選擇策略可以通過(guò)對若干測試序列進(jìn)行訓練而獲得。

在采用OBMC后，相應運動(dòng)搜索的度量準則應進(jìn)行相應的修正。在本文中，為了降低實(shí)現復雜度，對運動(dòng)矢量的搜索不采取迭代的方法。此時(shí)，在進(jìn)行運動(dòng)搜索時(shí)，當前塊選取的運動(dòng)矢量不僅決定了其自身的運動(dòng)預測值，也會(huì )影響到其右邊及下邊塊的運動(dòng)預測值（左邊及上邊塊的運動(dòng)矢量已經(jīng)確定，不再進(jìn)行考慮）。為了反映這種影響，將運動(dòng)搜索的準則重新定義為

其中：第1項是當前塊的預測誤差的絕對誤差和；第2、3項反映了對右邊和下邊塊的預測誤差影響；第4項中bv為對運動(dòng)矢量的編碼所需的速率。

2 實(shí)驗結果

本實(shí)驗采用H．264參考代碼JMl0．1作為仿真平臺，給出了各種CIF（common intermedia format）和QCIF（quarter common intermedia format）測試序列的測試結果。在本實(shí)驗中，編碼器設置為：率失真打開(kāi)，參考幀數為1，可選的編碼模式為7，采取內容自適應變長(cháng)熵編碼編碼，運動(dòng)搜索范圍為1616，每個(gè)幀組包括1個(gè)I幀和49個(gè)P幀，所有幀均采用相同的量化參數。

表1給出了各測試序列的QP設置分別為20、24、28、32時(shí)，峰值信噪比（peek signal noise ratio，PSNR）和碼率的對比。按照文提出的PSNR和碼率的插值算法，表2給出了對于不同測試序列本算法和標準的H．264壓縮效率的對比。從這些結果可以看出：采用OBMC的編碼增益隨著(zhù)編碼速率的增加而提高。在高碼率時(shí)，最高編碼效率可提高0．21 dB。當編碼序列的運動(dòng)比較復雜時(shí)，如Coastguard和Tempete序列，編碼增益也比較明顯。這種現象也符合上述對OBMC優(yōu)越性的分析。

表3給出了對Foreman序列進(jìn)行QP=24編碼時(shí)，P幀各部分信息所占用比特數的對比?？梢钥吹?，采用OBMC算法明顯降低了編碼運動(dòng)矢量信息和亮度殘差信息的速率。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，沒(méi)有對色度信號的運動(dòng)補償采用重疊塊模式，因此，表示色度殘差信號所需的碼率與原算法相當。

3 結 論

為了將OBMC與標準中的可變塊大小運動(dòng)補償結合起來(lái)，提出了根據相鄰塊編碼模式選擇OBMC加權矩陣的算法。仿真試驗表明，OBMC的采用可帶來(lái)平均0．1 dB以上的編碼增益。對于高復雜度序列在高速率下的編碼，最高增益可達0．2 dB．

下一步將對加權系數矩陣的自適應進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高編碼效率。另外，并不是每個(gè)宏塊采用OBMC都可以帶來(lái)編碼增益?？梢匝芯吭诤陦K級別引入一個(gè)標志，指示該宏塊是否采取OBMC。這種靈活性將進(jìn)一步提高編碼效率。

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