摘  要: 基于對快速分數運動估計算法和參考軟件JM18.4中分數運動估計算法的研究,針對H.264/AVC提出了一種快速分數運動估計算法。實驗結果表明,該算法能夠有效減少H.264/AVC 編碼器的計算復雜度，并能夠保證峰值信噪比降低(<0.045 dB)，視頻質量下降微乎其微。

關鍵詞: H.264/AVC； 快速算法； 分數運動估計

       H.264/AVC是ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC運動圖像專家組共同制定的視頻編碼標準[1]。在保證圖像質量不變的情況下，H.264/AVC的壓縮效率期望比之前視頻編碼標準高一倍，高數據壓縮率必然要求H.264/AVC編碼方式較之前標準更為復雜。在H.264/AVC中，幀間預測占用60％以上編碼時間，是影響編碼器整體性能最重要的一個組成部分[2]。為了縮短運動估計時間，研究人員提出了不同的快速算法，其出發點都是在視頻質量下降不大的情況下大幅度縮短編碼時間，本文依據該思想提出一種通過減少分割模式來縮短編碼時間的快速分數運動估計算法。

       1 快速分數運動估計算法分析

       1.1 JM18.4參考軟件分數運動估計

　     H.264/AVC 采用塊尺寸可變的運動估計，JM18.4中采用圖1所示的7種模式來描述H.264/AVC中宏塊的分割方式[3]。分數運動估計分為1/2像素運動估計和1/4像素運動估計兩個階段。1/2像素運動估計利用6抽頭濾波器插值半像素點，然后在整數運動向量所指向區域內進一步細化整數運動向量，從而得到41個1/2像素運動向量；緊接著執行1/4像素運動估計，從而得到41個1/4像素運動向量。接下來就要確定宏塊的最終分割模式，即模式選擇。模式選擇首先為每一個8×8子宏塊找到最優的分割方式，然后為宏塊找到最優的分割方式。

       1.2 基于減少模式的分數運動估計

       在分數運動估計階段，為了找到41個宏塊和子宏塊的分數運動向量，分數運動估計本應該像整數運動估計一樣要遍歷宏塊的7種模式，但為了降低分數運動估計的復雜度，本分數運動估計算法僅遍歷其中部分模式。通過對JM18.4做大量的實驗，發現單方面大幅度減少分割模式，視頻的峰值性噪比會急劇下降。為了保證編碼效率不會大幅度降低，可通過其他方法將最可能的模式限定在少數的模式之中，這樣既能保證編碼效率又能降低分數運動估計復雜度。

       1.3 基于模式相關的分數運動估計

　　   實驗發現,不同幀中的宏塊分割模式存在很大的差異，但是在同一幀中宏塊分割模式的分布卻呈現一定的局部性，即宏塊的分割模式與其相鄰宏塊的分割模式有很大的關系，對于子宏塊也呈現這種規律。表1給出了相鄰宏塊的分割全為16×16時，在不同測試序列中當前宏塊編碼模式為16×16以及編碼模式為16×16、16×8或者8×16所占百分比。由表1可以看出，當前宏塊編碼模式為16×16的概率高達90%以上，當前宏塊編碼模式為16×16、16×8或者8×16的概率比16×16略高。

　     從以上分析中可看出,宏塊的編碼模式之間有很強的相關性，因此可以利用這種相關性來預測宏塊的編碼模式，利用這種方法可以將編碼模式限定在為數不多的幾個模式中，從而減少編碼器的計算復雜度。

       2 快速分數運動估計算法描述

　　    通過以上分析可知，當前宏塊和子宏塊的最優分割模式與相鄰宏塊和子宏塊的分割模式密切相關，基于此，本文提出了一種快速分數運動估計算法，利用該算法能夠將待處理的7種模式減少到兩種模式，從理論上應該可以減少 71%的計算量。該算法步驟具體如下。

       (1) 根據相鄰宏塊的分割模式預測當前宏塊的分割模式；

       (2) 如果當前宏塊的分割模式為8×8，則利用相鄰子宏塊的分割模式進一步確定當前子宏塊的分割模式；

       (3) 考慮到宏塊或者子宏塊的分割模式并不總是與其相鄰塊的分割模式一致，因此可在整數運動估計結束后，根據殘差代價和運動向量殘差代價確定宏塊和子宏塊的另一種分割模式；

       (4) 優化整數運動向量，得到分數運動向量，并從這兩種模式中找到一種最優的分割方式。

       2.1 當前宏塊預測模式

　　   表2給出了當前宏塊的預測模式,具體預測方法為：(1)相鄰左邊宏塊的分割模式為16×16或者8×16，相鄰右邊宏塊的分割模式16×16或者16×8，則當前宏塊的預測模式為16×16；(2)相鄰左邊宏塊的模式為16×8或者8×8，相鄰右邊宏塊的分割模式16×16或者16×8，則當前宏塊的預測模式為16×8； (3)相鄰左邊宏塊的分割模式為16×16或者8×16,相鄰右邊宏塊的分割模式為8×16或者8×8，則當前宏塊的預測模式為8×16；(4)相鄰左邊宏塊的分割模式為16×8或者8×8，相鄰右邊宏塊的分割模式為8×16或者8×8，則當前宏塊的預測模式為8×8。

       2.2 當前子宏塊預測模式

　   　表3給出了當前子宏塊的預測模式。子宏塊預測模式的預測方法與宏塊預測模式的預測方法非常類似，只是其對應模式的高度和寬度僅為對應宏塊的一半。

       3 實驗結果及分析

　     為了驗證本文提出的快速分數運動估計算法，對JM18.4作了相應的修改并采用BUS和CREW兩個測試序列來驗證本算法，每個測試序列為100幀，寬高比為352×288，Y:U:V格式為4:2:0。測試環境為Pentium(R) Dual Core E5300 2.60 GHz CPU，2 GB內存的PC, Windows 7 Ultimate操作系統。實驗結果如表4和圖2所示。從表4可以看出，本文提出的優化算法可以在PSNR降低小于0.045 dB、比特率增加不超過2.0%的前提下，整體編碼速率提高25%～31%。同時，從圖2可以看出，利用該算法編碼的視頻PSNR基本上沒有降低。

       本文為解決H.264/AVC分數運動估計運算量大的問題，根據其相鄰分割和子分割模式之間相關性強的特點，提出了一種快速分數運動估計算法。該算法充分利用已編碼宏塊和子宏塊的分割模式來預測當前宏塊和子宏塊的編碼模式，使得宏塊和子宏塊的最終分割模式與全模式的宏塊和子宏塊的分割模式更為接近，從而保證了在圖像質量基本不變的情況下大幅度降低編碼器計算復雜度。

參考文獻

[1] ITU-T. H.264, ITU-T rec advanced video coding for generic audio visual[S].2012.

[2] 凃成,余諒.運動估計UMHexagonS算法的研究與改進[J]．微型機與應用, 2013,32(7):40-45.

[3] Song Hongtao, Gao Zhiyong, Zhang Xiaoyun. Novel fastmotion estimation and mode decision for H.264 real-timehigh-definition encoding[J]. IEEE Transations on Circuits Systems for Video Technology, 2012,22(13):43－48．

[4] 朱凱迪,陳一民,譚志鵬,等.H.264 運動估計算法研究[J].計算機工程,2011,37(19):286-28.

[5] 姜有田,李金良.一種適用于H.264的分數像素快速運動估計算法[J].計算機工程與設計, 2006,27(19):3682-3685.