王玉清

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，太原 030009)

AVS視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，特點(diǎn)是低碼率、高清晰度和強(qiáng)抗誤碼性能［1］，其編碼只對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行。由于殘差在量值上小于實(shí)際的像素值，因而熵編碼后占用的碼字也較少，有效地減少了表達(dá)一幅圖像所需的比特?cái)?shù)，達(dá)到了壓縮的目的［2］。

AVS 8×8塊數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)、變換、量化和ZIGZAG掃描后，非零系數(shù)主要集中在低頻部分，而高頻系數(shù)大部分是零；DC系數(shù)及其附近的非零系數(shù)值較大，而高頻位置上的非零系數(shù)值大部分是＋1和-1［3］。提高DC直流系數(shù)編碼效率，會(huì)大大提高整個(gè)編碼器編碼效率［4］。8×8塊預(yù)測(cè)殘差仍具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，其經(jīng)過(guò)整數(shù)DCT變換后，直流成分也具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性。目前，AVS標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有考慮AVS直流系數(shù)的相關(guān)性，而是直接對(duì)AVS直流系數(shù)進(jìn)行編碼。筆者提出利用預(yù)測(cè)殘差直流系數(shù)相關(guān)性來(lái)改進(jìn)編碼效率的方法，不直接對(duì)當(dāng)前塊直流系數(shù)進(jìn)行編碼，取其與左邊塊和上邊塊差值及本身絕對(duì)值的最小值，對(duì)其最小值對(duì)應(yīng)的差值進(jìn)行編碼。

1 AVS編碼算法分析

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用8×8整數(shù)DCT變換，故其變換后的DC系數(shù)值較大［5］。量化與變換歸一化相結(jié)合，同時(shí)可以通過(guò)乘法和移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于量化步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，量化參數(shù)每增加8，相應(yīng)的量化步長(zhǎng)擴(kuò)大1倍［6］。具體的量化公式為：

式中：｜Zij｜為相應(yīng)的量化值；f為改善圖像視覺(jué)效果的偏移量，幀內(nèi)編碼時(shí)1，幀間編碼時(shí)2；Mij為Y矩陣中對(duì)應(yīng)元素的縮放系數(shù)表；TQP的值是16位的無(wú)符號(hào)數(shù)，在程序中通過(guò)查表提前得到。

AVS標(biāo)準(zhǔn)采用ZIG-ZAG掃描，游程和幅值（Run，Level)是把量化后的64個(gè)系數(shù)按照一定的掃描模式得到的序列對(duì)，幅值Level為非零系數(shù)的幅度，游程Run為該非零系數(shù)前0的個(gè)數(shù)［7］。AVS采用游程和幅值進(jìn)行聯(lián)合編碼，并為了適應(yīng)局部的差異性設(shè)計(jì)了19個(gè)VLC碼表［8］。

2 基于直流系數(shù)相關(guān)性預(yù)測(cè)算法

DCT整數(shù)變換本身并不能進(jìn)行碼率壓縮，因?yàn)?4個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)。只是在經(jīng)過(guò)量化和ZIG-ZAG掃描后，非零系數(shù)主要集中在低頻部分，而高頻系數(shù)大部分是零；DC系數(shù)及其附近的非零系數(shù)值較大，而高頻位置上的非零系數(shù)值大部分是＋1和-1。因此，提高DC直流系數(shù)編碼效率，會(huì)大大提高整個(gè)編碼器編碼效率。

8×8塊預(yù)測(cè)殘差仍具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，其經(jīng)過(guò)整數(shù)DCT變換后，直流成分也具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，可以利用左邊塊和上邊塊的DCT變換域的直流系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前塊的直流系數(shù)。

假定當(dāng)前塊上邊塊殘差經(jīng)DCT變換后直流系數(shù)為Top0，左邊塊為L(zhǎng)eft0，當(dāng)前塊為Cur0。分別計(jì)算CT＝Abs（Cur0-Top0)，CL＝Abs（DC-Cur0-DC-Left0)和C0＝Abs（Cur0)，取CT、CL和C0的最小值。不直接對(duì)直流系數(shù)Cur0進(jìn)行編碼，如果CT最小，將對(duì)Cur0-Top0值進(jìn)行編碼；如果CL最小，將對(duì)Cur0-Left0值進(jìn)行編碼；如果C0最小，將對(duì)Cur0值進(jìn)行編碼。

編碼端預(yù)測(cè)流程如圖1所示，僅增加了CT、CL和C0的計(jì)算和取三者最小值計(jì)算，編碼復(fù)雜度增加很小。此算法并沒(méi)有改變編碼流程，也不需要改變AVS標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)法和語(yǔ)義。

圖1 編碼端預(yù)測(cè)流程圖

解碼端預(yù)測(cè)流程如圖2所示，僅增加了CT、CL和C0的計(jì)算和取三者最小值計(jì)算，解碼復(fù)雜度增加很小。此算法并沒(méi)有改變解碼流程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本研究基于直流系數(shù)相關(guān)性AVS預(yù)測(cè)算法，對(duì)典型的試?yán)?Foreman、Akiyo、Children、Bridge-far進(jìn)行了一系列的測(cè)試。圖像為CIF格式（352×288)；量化參數(shù) QP分別為20，24，28，32，36，40；編碼100幀，Y∶U∶V為4∶2∶0。測(cè)試平臺(tái)為主頻1.60GHz的Pentium Dual E2140，內(nèi)存為1.93 GB的PC機(jī)。表1—表4分別為4個(gè)測(cè)試序列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，bitrate為使用本文提出算法與AVS工作組官方軟件不同QP下，碼率下降的百分比。

圖2 解碼端預(yù)測(cè)流程圖

表1 Foreman序列測(cè)試結(jié)果

表2 Akiyo序列測(cè)試結(jié)果

表3 Children序列測(cè)試結(jié)果

表4 Bridge-far序列測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出，使用筆者提出的算法，對(duì)于不同編碼序列，編碼碼率都有下降，平均下降1.09%，最好情況下降2.00%。

4 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)過(guò)整數(shù)DCT變換后預(yù)測(cè)殘差的直流成分具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，利用左邊塊和上邊塊的DCT變換域的直流系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前塊的直流系數(shù)。不直接對(duì)直流系數(shù)進(jìn)行編碼，取其與左邊塊和上邊塊差值及本身絕對(duì)值的最小值，對(duì)其差值進(jìn)行編碼。筆者提出的算法在不影響編碼質(zhì)量的前提下，編碼碼率降低1.09%。下一步，可考慮直流系數(shù)差值的特性，對(duì)熵編碼碼表進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步降低編碼碼率。

［1］GB／T 200090.2-2006信息技術(shù) 先進(jìn)音視頻編碼，第2部分：視頻［S］.2006.

［2］徐士麟，喻莉，朱光喜.基于概率更新機(jī)制的自適應(yīng)混合熵編碼［J］.通信學(xué)報(bào)，2008，29（5)：43-49.

［3］Wang Qiang，Zhao Debin，Gao Wen.Context-Based 2D-VLC Entropy Coder in AVS Video Coding Standard［J］.Journal of Computer Science and Technology，2006，21（3)：315-322.

［4］喻莉，徐士麟，崔春暉，等.AVS1.0中熵編碼技術(shù)的研究［J］.電視技術(shù)，2005（10)：8-10.

［5］劉宇，田曉華.AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)中塊變換系數(shù)熵編碼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2004（10)：27-31，35.

［6］高文，王強(qiáng)，馬思偉.AVS數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)［J］.中興通訊技術(shù)，2006，12（3)：6-9.

［7］Zhang Cixun，Lou Jian，Yu Lu，et al.The Technique of Pre-Scaled Integer Transform［C］∥Proc of IEEE International Symposon Circuits and Systems（ISCAS 2005)，2005（1)：316-319.

［8］文斌，何明華，黃敏琪.一種新的 AVS指數(shù)哥倫布碼算法［J］.計(jì)算機(jī)工程.2011，37（15)：218-220.