運動估計與運動補償?shù)腍.263壓縮算法分析和優(yōu)化研究

運動圖像遠程實時傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸部分架構(gòu)在Internet之上，而現(xiàn)階段Internet的狀況是帶寬小、延遲大、不穩(wěn)定。所以為了獲得良好的實時傳輸效果，除了改善傳輸控制機制之外，還需要實現(xiàn)高壓縮比、低耗時、能達到實時壓縮和解壓縮效果的運動圖像壓縮方法。H.263是國際電信協(xié)會－電信標(biāo)準化部門ITU-T（The International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector）于1995年通過的用于低比特率實時傳輸?shù)?a target="_blank">視頻編解碼協(xié)議。其設(shè)計初衷是滿足帶寬低于64kbps的低帶寬視頻應(yīng)用需求，如視頻會議、可視電話等?，F(xiàn)在H.263也被應(yīng)用于運動圖像遠程實時傳輸系統(tǒng)中，但原始的H.263在實時性和壓縮比等方面還有不少可優(yōu)化余地。本文針對具體的運動圖像遠程實時傳輸系統(tǒng)應(yīng)用，在大量研究工作基礎(chǔ)上提出多個H.263的優(yōu)化策略，并取得了相當(dāng)好的效果。

1 H.263壓縮算法的分析概要

H.263的輸入視頻幀格式為QCIF（Quarter Common Intermediate Format，大小為176×144）、CIF（Common Intermediate Format，大小為352×288）等。將每個視頻幀分成許多宏塊（MB-Micro Block），每個宏塊由4個Y亮度塊、1個Cb色度塊和1個Cr色度塊組成。塊（Block）的大小為8×8。H.263以宏塊為單位進行視頻幀的壓縮。

H.263使用離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform）減小空間冗余，使用運動估計和運動補償（Motion Estimation and Motion Compensation）減小時間冗余。H.263有兩種編碼方式，一種是Intra方式，幀內(nèi)編碼，產(chǎn)生的幀作為關(guān)鍵幀-I幀；另一種是Inter方式，幀間編碼，產(chǎn)生的幀作為非關(guān)鍵幀-P幀。

通過分析，將H.263壓縮算法的流程圖歸納為如圖1所示。

通過分析和測試表明，DCT、運動估計和運動補償是H.263最重要的部分，同時也是H.263實現(xiàn)中最耗時的運算環(huán)節(jié)。要提高H.263的運算速度，就要針對這些環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。

2 轉(zhuǎn)換函數(shù)、DCT和運動估計環(huán)節(jié)的優(yōu)化

2.1 色彩空間轉(zhuǎn)換函數(shù)的優(yōu)化

CIF格式基于YUV色彩空間，而應(yīng)用程序中，大多數(shù)視頻采集程序只提供RGB色彩空間的視頻幀，因此需要建立從RGB色彩空間到Y(jié)UV色彩空間的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下所示，其中Y為YUV色彩空間的亮度值，U（Cb）和V（Cr）為YUV色彩空間的色度值。

Y=0.299×R+0.587×G+0.114×B；

Cr=V=（R-Y）×127/179；

Cb=U=（B-Y）×127/226；

H.263原有的色彩空間轉(zhuǎn)換算法采用浮點運算，但浮點運算會消耗較多的CPU周期。為了加快視頻處理速度，采用整型乘法和向右移位來代替浮點乘除，從而有效縮短了轉(zhuǎn)換時間。

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

Y=（（R×313524）》》20）+（（G×615514）》》20）×（（B×119538）》》20）；

Cr=V=（（R-Y）×743962））》》20；

Cb=U=（（B-Y）×589244））》》20；

2.2 DCT、IDCT算法的優(yōu)化

二維DCT公式為：

通過分析得出，DCT快速算法的實現(xiàn)可以有兩種方式。一種方法是把已有的快速變換算法（如FFT、FHT等）映射到DCT計算中，這種方式多了一個映射環(huán)節(jié)，增加了計算的復(fù)雜度；另一種方法是從DCT變換本身尋找規(guī)律進行改進。

在H.263應(yīng)用中，注意到兩條規(guī)律：一是能量集中在少部分DCT系數(shù)上；二是隨著量化步長的增大，被量化為零的DCT系數(shù)增多，而且對DCT計算的精度要求降低。于是，采用一種零系數(shù)預(yù)測策略，即根據(jù)量化步長，首先對DCT變換的輸入數(shù)據(jù)分類，對于給定的量化步長，如果輸入數(shù)據(jù)將要被量化為0，那么這些數(shù)據(jù)就不必做DCT運算，而直接將變換結(jié)果置為0。這樣只需對部分數(shù)據(jù)進行DCT變換，因此節(jié)省了大量無效運算。另外，利用DCT的局部并行性，使用Intel的多媒體處理指令集－MMX來實現(xiàn)DCT計算，大幅度提高了運算速度。

2.3 運動估計與運動補償算法的優(yōu)化

運動估計是指在參考幀中搜索一個與當(dāng)前幀圖像塊最相似的圖像塊，即最佳匹配塊，搜索結(jié)果用運動向量來表示。運動補償是指利用參考幀和已求得的運動向量重構(gòu)當(dāng)前幀，把重構(gòu)幀和當(dāng)前幀的差值作為當(dāng)前幀的補償值進行壓縮編碼。兩者互相配合，共同實現(xiàn)壓縮效果。

運動估計算法的研究從兩方面著手：快速搜索算法和塊匹配準則。

最簡單的搜索算法是全搜索法（FS），這種算法精度高，但計算量過于龐大。為了加快運算速度，保證精度，人們提出了很多快速搜索算法：三步法（TSS）及基于三步法的改進算法、二維對數(shù)法（LOGS）、交叉搜索法（CS）、四步法（4SS）、預(yù)測搜索法（PSA）、鉆石搜索法（DS）等。鉆石搜索法是迄今為止綜合性能最優(yōu)的快速搜索算法之一，用于本次項目研究中。

塊匹配準則決定何時找到最佳匹配塊，從而終止搜索進程。傳統(tǒng)的準則有絕對平均誤差函數(shù)（MAE）、互相關(guān)函數(shù)（CCF）、均方誤差函數(shù)（MSE）、最大誤差最小函數(shù)（MME）等。由于傳統(tǒng)方法沒有考慮人眼的視覺特性，所以判斷結(jié)果和人眼的感知相差較大。實際H.263采用的塊匹配準則為MSE的替代準則SAD（絕對差和），兩者的公式如下：

其中：F0和F-1分別代表當(dāng)前幀和重構(gòu)幀（參考幀）；k，l為待編碼宏塊在當(dāng)前幀中的坐標(biāo)；x，y為重構(gòu)幀中參考宏塊的坐標(biāo)；N表示宏塊的尺寸，此處為16。從公式中可見，SAD用絕對值運算代替了MSE的乘方運算，明顯降低了運算量，從而可以加快計算速度。

測試表明，SAD的計算量要比MSE的計算量減少三分之一，而它們的圖像效果相當(dāng)。

此外，還可以利用硬件特性加速塊匹配準則的運算速度，Intel的MMX技術(shù)提供了這種特性。SAD等塊匹配準則主要針對短數(shù)據(jù)的重復(fù)計算，MMX增加了系統(tǒng)單個指令操作數(shù)據(jù)的數(shù)目（SIMD），從而可以在一個指令中完成多組數(shù)據(jù)的計算，實現(xiàn)并行機制，從而加快運算速度。

3 提高壓縮比的選擇

H.263提供了許多高級模式來提高視頻壓縮比。從對壓縮效率的貢獻角度看，大運動向量模式、高級預(yù)測模式、PB幀模式和增強PB幀模式是最重要的4個高級模式。

在大運動向量模式和高級預(yù)測模式下，運動向量可以指到圖像邊界以外，增大了運動向量的表達范圍，從而在本質(zhì)上提高了運動補償?shù)木纫愿纳凭幋a效率。

基本PB幀模式下，一個PB幀是一個P幀和一個B幀組成的整體。當(dāng)前P幀由前一個P幀預(yù)測得到，B幀則由前一個P幀和當(dāng)前P幀預(yù)測得到（見圖2）。PB幀模式在增加較少比特數(shù)的情況下，將幀率提高了近一倍。

增強PB幀模式的主要改進點在于預(yù)測方式的增強?；綪B幀模式對B幀圖像（或宏塊 ）僅允許使用雙向預(yù)測，而增強的PB幀模式對B幀圖像則允許使用前向預(yù)測（見圖3）、后向預(yù)測（見圖4）和雙向預(yù)測（見圖2）三種手段。這樣，在壓縮過程中，有機會選擇更合適的預(yù)測方法處理B幀圖像（或宏塊），從而提高B幀的壓縮效率。基本PB幀模式的Ｂ幀只能通過雙向預(yù)測獲得，這對慢速運動圖像效果較好。當(dāng)輸入運動圖像存在快速不規(guī)則運動時，B幀質(zhì)量會急劇惡化，而增強PB幀模式的Ｂ幀有三種預(yù)測方式可選，可以解決這一難題。通過分析和測試表明，增強PB幀模式比基本PB幀模式有更強的魯棒性，更適用于運動圖像遠程實時傳輸。

大運動向量模式和高級預(yù)測模式由于增大了運動向量的表示范圍，可以增強運動補償?shù)木?，從而提高壓縮比；而增強PB幀模式引入B幀，有三種預(yù)測方式可以生成B幀，在相同幀率的情況下，將壓縮比提高近80%，壓縮效果明顯。在實際程序設(shè)計中，筆者配合傳輸環(huán)境測試模塊，在網(wǎng)絡(luò)帶寬較低時實現(xiàn)這三種方式的配合使用，發(fā)揮了更大的壓縮效率，達到更高的壓縮比。

4 實驗數(shù)據(jù)和性能分析

4.1 算法優(yōu)化測試

分別取100幀三種不同格式（SUB-QCIF：88×72，QCIF：178×144，CIF：352×288）的視頻幀，每20幀取1個關(guān)鍵幀，視頻幀質(zhì)量取6000，比較優(yōu)化前和優(yōu)化后算法的時間效率，結(jié)果如（圖5）所示。

縱軸單位為毫秒，表示壓縮完成所需時間?？梢?，要處理的視頻幀越大，優(yōu)化后的算法取得的加速效果越明顯。

4.2 增強PB幀模式壓縮效果測試

分別取100幀三種不同格式（SUB-QCIF：88×72，QCIF：178×144，CIF：352×288）的視頻幀，每20幀取1個關(guān)鍵幀，視頻幀質(zhì)量取6000，比較使用增強PB幀模式前和使用增強PB幀模式后算法的壓縮效率，結(jié)果如（圖6）所示。

縱軸為壓縮比。要處理的視頻幀越大，冗余信息越多，增強PB幀模式的壓縮效果越明顯。

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