H.264视频编码标准分析与算法优化研究

论文摘要

H.264/AVC是ITU和ISO/IEC联合制定的最新国际视频编码标准。同以往的视频编码标准相比,H.264采用了众多新技术,具有更高的压缩比,更好的图像质量和网络亲和性。然而其编码性能的提高是以引入巨大计算复杂度为代价的。因此,如何在保持H.264编码性能的基础上,尽量减少其计算复杂度,是H.264能否进入实际应用的关键问题。于是,H.264算法优化成为当今研究的热点,也是本文工作的重点所在。为了有效地降低H.264的计算复杂度,本论文详细介绍了H.264标准,在对相应的关键技术进行深入分析的基础上,根据其编码器特性对其中耗时模块帧内编码、帧间编码和运动估计等算法进行一系列的优化。首先,本文在分析了H.264帧内预测算法特征的基础上,提出了一种基于像素方向相关性的快速帧内预测模式选择算法。该算法提出两个候选模式选择准则和SATD阈值排除法预先对候选模式进行筛选,从而加速了帧内预测模式选择过程。其次,讨论了H.264帧间预测模式等帧间预测编码关键技术,并针对其穷尽搜索选择最佳帧间预测模式算法计算量大的缺点进行了改进,提出一种基于局部运动特征的快速帧间模式选择算法。该算法先计算出当前宏块在SKIP模式下的率失真开销(RDcost),根据该RDcost跟预设阈值的比较结果确定是否提前中止搜索;否则,根据相邻宏块的运动矢量长度估计当前宏块运动剧烈程度,仅计算可能性较大的模式,从而大大加快了帧间模式选择过程。最后,通过详细分析H.264运动估计特性和实验中一些发现,提出一种新的快速运动估计算法。该算法揉合了块尺寸预选、部分像素匹配和多参考帧选取策略进行快速整像素运动估计,利用方向特性筛选亚像素候选点,大大降低了运动估计的计算复杂度。实验结果表明:(1)、本文所提快速帧内预测模式选择算法编码速度比H.264参考代码的全搜索模式决策算法提高了45%左右,而PSNR仅下降0.040dB,总比特率仅增加2.80%;(2)、同H.264穷尽模式选择算法相比,本文所提快速帧间模式选择算法降低了约56.65%的计算复杂度,而PSNR仅下降0.059dB,总比特率仅增加0.20%;(3)、比起H.264参考代码中的全搜索运动估计算法,本文所提快速运动估计算法减少了约87%的运动估计时间,而PSNR仅下降0.033dB,总比特率仅增加0.56%。综上所述,本文所提出的快速算法对H.264视频编码标准的应用具有重要意义,所提出的优化策略对其他多媒体软件算法优化也有一定参考价值。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 论文的结构安排
• 第二章 新一代视频编码标准H.264 简介
• 2.1 视频编码技术的发展
• 2.2 H.264 视频编码标准概述
• 2.3 H.264 视频编码标准关键技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 帧内预测编码算法研究及改进
• 3.1 引言
• 3.2 H.264 帧内预测编码相关技术
• 3.2.1 4×4 亮度预测模式
• 3.2.2 16×16 亮度预测模式和8×8 色度预测模式
• 3.2.3 H.264 参考代码的帧内预测模式选择算法
• 3.3 基于块边缘方向的快速帧内预测模式选择算法
• 3.3.1 模式选择准则一
• 3.3.2 模式选择准则二
• 3.3.3 SATD 阈值平均法
• 3.3.4 快速帧内预测模式选择算法描述
• 3.4 实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 帧间模式选择算法分析与优化
• 4.1 引言
• 4.2 帧间预测编码回顾
• 4.2.1 帧间预测模式
• 4.2.2 H.264 参考代码的帧间模式选择算法
• 4.3 基于局部运动特征的快速帧间模式选择算法
• 4.3.1 快速模式选择
• 4.3.2 算法描述
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 运动估计算法探讨
• 5.1 引言
• 5.2 运动估计概述
• 5.3 H.264 运动估计算法分析
• 5.4 典型运动估计算法
• 5.4.1 全搜索法
• 5.4.2 三步搜索法（TSS）
• 5.4.3 新三步搜索法（NTSS）
• 5.4.4 菱形搜索法（DS）
• 5.4.5 六边形搜索法（HEXBS）
• 5.4.6 MVFAST
• 5.4.7 PMVFAST
• 5.4.8 EPZS
• 5.4.9 非对称十字型多层次六边形格点搜索法（UMHexagons）
• 5.5 基于块尺寸预选和部分像素匹配的快速运动估计算法
• 5.5.1 块尺寸预选
• 5.5.2 部分像素匹配法
• 5.5.3 多参考帧选取策略
• 5.5.4 基于方向特性的亚像素快速运动估计方法
• 5.5.5 快速运动估计算法描述
• 5.6 实验结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作与技术创新点
• 6.2 展望和设想
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表及己录用的学术论文
• 已投稿的学术论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢