无线应用环境中的H.264复杂度优化

论文摘要

随着无线网络的迅猛发展,无线视频媒体成为一个应用研究热点。最新的H.264视频编码标准兼具良好的压缩效率和网络适应性,非常适合成为无线媒体应用中的标准格式。然而,具有高压缩率的同时,它也带有极高的计算复杂度。采用ITU提供的参考软件,在无线环境的服务器端和客户端都远不能达到实时应用,因此有必要针对无线应用环境进行复杂度优化,提高编解码速度。复杂度优化可以分为算法优化、与机器无关的代码优化和针对体系结构的优化。由于无线视频的编码端异构性较强,编码流程有可能随应用变化而改动,并且编码算法复杂,有算法优化的余地,因此对编码部分采取算法的优化。在考查编码中各个环节的复杂度,分析了编码流程瓶颈之后,将优化的重点放在了帧间预测模式快速选择算法上。通过对当前已有的多种快速预测算法进行研究,将其分为简化RD优化过程的方法、通过运动补偿结果判断的快速模式选择、基于空间信息的快速算法和基于简单时间信息的模式选择算法。在研究的基础上,提出了一种合理的基于时间信息的优化算法,通过P帧参考图像的分块结果,考虑子块的运动特征,对当前图像进行快速帧间模式选择。由于在算法中增添了匀速直线运动的假设,所以算法同时包含场景变换的快速判断,以消除假设条件不成立所带来的压缩效率损害。经过仿真验证,此算法可以使运动搜索环节的计算时间节省40%,同时PSNR下降不超过0.1dB,码率增加不超过2.5%。在解码器中,由于算法的灵活性较差,可优化幅度有限,主要采用了针对体系结构的优化方法。通过对无线应用的环境进行分析,选择XScale系统作为典型应用平台。通过研究XScale的MAC、内存结构、缓存特性和流水线等特点,并通过对解码器的瓶颈进行分析,确定出优化策略。通过改变内存访问方式、微调子程序结构、锁住数据缓存和进行汇编优化,使解码性能大幅度提升,达到实时解码播放的程度。

论文目录

• 第1 章 概述
• 1.1 H.264 标准
• 1.1.1 H.264 背景介绍
• 1.1.2 H.264 采用的新特性
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 复杂性分析
• 1.2.2 无线应用环境对复杂度优化的要求
• 1.2.3 帧间预测模式算法的优化
• 1.2.4 嵌入式系统解码器优化
• 1.3 研究内容
• 第2 章 帧间预测模式快速选择方法研究
• 2.1 通过修改模式选择流程进行的优化算法
• 2.1.1 码率预测算法
• 2.1.2 失真快速算法
• 2.1.3 编码代价J 的简化计算方法
• 2.2 基于运动补偿减少待选模式
• 2.3 根据空间信息进行优化的方法
• 2.3.1 通过相邻宏块的运动预测进行模式选择
• 2.3.2 纹理特征模式选择
• 2.3.3 缩略图模式选择
• 2.4 通过简单时间信息进行的选择方法
• 第3 章 基于时间信息的快速模式选择方法
• 3.1 帧间预测模式选择有效原因分析
• 3.2 基于时间信息的预测方法
• 3.3 时间信息提取
• 3.4 候选模式选择方案
• 3.5 场景变换快速判断
• 3.6 算法流程
• 3.7 仿真结果及分析
• 3.7.1 仿真实例
• 3.7.2 仿真结果分析
• 3.8 总结
• 第4 章 针对嵌入式系统体系结构的优化
• 4.1 概述
• 4.2 XScale 体系结构分析
• 4.2.1 MAC
• 4.2.2 存储管理器
• 4.2.3 缓存
• 4.2.4 流水线
• 4.3 系统瓶颈分析
• 4.4 优化方案
• 4.4.1 提升软件的内存访问效率
• 4.4.2 结构优化
• 4.4.3 缓存锁操作优化
• 4.4.4 用汇编指令优化数学计算
• 4.5 优化结果验证及分析
• 第5 章 总结与展望
• 5.1 论文工作的总结
• 5.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 声明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果