H.264码率控制算法研究及编码器的优化实现

论文摘要

新一代视频压缩编码标准H.264采用很多先进算法和新思想,大幅度地提高编码效率和重建图像的质量。但与以往MPEG-4等压缩标准相比,H.264编解码算法的运算复杂度也同时大大增加,因此,保持高编码压缩效率条件下降低计算复杂度是目前H.264视频编码领域的研究热点之一。本文的主要研究工作包括两个方面:H.264中的码率控制算法改进和软件编码器在DM642平台上的优化实现。为了在给定码率下高效地传输编码数据,并保证良好稳定的接收端图像质量,码率控制成为视频编码研究的重要内容。H.264编码标准将量化参数同时用于码率控制和率失真优化,导致“蛋鸡”悖论:为了进行宏块编码,必须先给出该宏块的量化等级,而量化等级要根据编码之后的帧内预测或帧间运动估计残差（MAD）得到,因此,以往各种经典码率控制方法在H.264中并不适用。本文在JVT-G012和JVT-O016的基础上,对参考软件JM8.6中码率控制算法进行优化,针对其采用的计算量大且存在一定误差的线性预测模型MAD,提出新的加权预测模型,同时在原算法基础上增加宏块层码率控制策略,并用标准测试序列测试改进算法。TMS320DM642是TI公司针对实时视频处理开发的高性能数字信号处理器,具有两级高速缓存结构,能实时高效实现高复杂度视频编解码算法。本文通过JTAG仿真方式实现PC与DSP之间的视频通信,在CCS环境下实现H.264软件编码器,并用DM642 EVM进行硬件仿真,结合DM642在项目级、算法级和指令级三个层次上的特点对程序进行优化,显著减小代码长度,提高压缩速率,降低整个编码器的运行时间。实验结果表明:与基于PC实现的编码器相比,本文实现的软件编码器在性能和效率方面都达到良好的效果,实现较好的压缩比（2030倍）,画面质量较高（PSNR约40dB）,能应用于对实时性要求较高的高速视频编码传输场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 视频压缩标准国内外研究现状
• 1.3 码率控制和编码器DSP 实现国内外研究现状
• 1.3.1 码率控制算法研究的国内外研究现状
• 1.3.2 DSP 技术在视频处理中的优势
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 视频通信中的码率控制技术
• 2.1 引言
• 2.2 码率控制基本原理
• 2.2.1 码率控制器工作流程
• 2.2.2 码率控制算法分类与分级
• 2.2.3 编码参数对输出码率的影响
• 2.3 经典码率控制算法
• 2.3.1 MPEG-4 码率控制策略VM16
• 2.3.2 MPEG-2 码率控制策略TM5
• 2.3.3 H.263 码率控制策略TMN8
• 2.4 码率控制中的几个关键问题
• 2.4.1 场景切换检测
• 2.4.2 场景切换处理
• 2.4.3 信源模型
• 2.4.4 缓冲区溢出防范措施
• 2.5 本章 小结
• 第3章 H.264 标准关键技术及其采用的码率控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 H.264 标准关键技术分析
• 3.2.1 H.264 标准基本框架
• 3.2.2 H.264 标准主要技术特点
• 3.3 基于H.264 的码率控制策略
• 3.3.1 JVT-F086 码率控制策略
• 3.3.2 JVT-G012 码率控制策略
• 3.3.3 JVT-0016 码率控制策略
• 3.4 改进的码率控制策略
• 3.4.1 JM8.6 采用的码率控制算法框架
• 3.4.2 基本单元层码率控制的改进
• 3.4.3 自适应宏块层码率控制策略
• 3.4.4 实验结果与分析
• 3.5 本章 小结
• 第4章 编码算法的DM642 平台实现
• 4.1 引言
• 4.2 DM642 硬件平台
• 4.2.1 DM642 多媒体处理器
• 4.2.2 三级存储系统
• 4.2.3 集成开发环境
• 4.3 编码系统的硬件组成和软件结构
• 4.3.1 编码器硬件平台
• 4.3.2 编码器软件实现
• 4.4 算法代码移植和优化
• 4.4.1 代码移植
• 4.4.2 算法的优化改进
• 4.4.3 存储器优化
• 4.4.4 cache 的优化
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 算法优化结果分析
• 4.5.2 编码器性能测试结果
• 4.6 本章 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要学术论文发表
• 致谢