丁 彬，陳耀武

（浙江大學(xué)數(shù)字技術(shù)及儀器研究所，杭州310027）

1 概述

H．264／AVC由于編碼效率的提高和實際應(yīng)用中的靈活性，在視頻編解碼領(lǐng)域取得了極大的成功［1］。然而，網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和對超高清視頻的需求對H．264的編碼效率提出了挑戰(zhàn)。基于此，視頻編碼專家組（VCEG）和運動圖像專家組（MPEG）成立了視頻編碼聯(lián)合協(xié)作小組（JCT－VC），提出了高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）作為新一代視頻編碼標準。在相同視頻質(zhì)量下，HEVC和H．264相比節(jié)約50%的碼率［2］。由于H．264的普及性和HEVC較高的編碼復(fù)雜度，利用H．264壓縮流信息實現(xiàn)H．264到HEVC的轉(zhuǎn)碼成為本文的主題。

雖然在編碼框架方面和H．264存在相似性，HEVC的編碼單元卻存在較大差異。為了提高編碼的靈活性，HEVC采用了自適應(yīng)四叉樹編碼單元（Coding Tree Unit，CTU），最大編碼單元達到64×64，而且可以繼續(xù)劃分成32×32，16×16，8×8大小的編碼單元（Coding Unit，CU）［3］。此外，HEVC支持更多的預(yù)測單元，包括對稱分割模式（2 N×2 N，N×2 N，22 N×2 N，N×2 N）和非對稱分割模式（nL×2 N，nR×2 N，22 N×2nU，22 N×2nD）［4］，其中，HEVC的預(yù)測單元（Prediction Unit，PU）模式中N可以為4，8，16，32，N×2 N 模式只有在編碼深度為3時才可能出現(xiàn)。

為了適應(yīng)不同設(shè)備和場合的需要，視頻轉(zhuǎn)碼能夠改變壓縮視頻流的碼率、分辨率，還可以改變視頻內(nèi)容和編碼標準［5］。本文提出的從 H．264到HEVC轉(zhuǎn)碼器屬于改變編碼標準的異構(gòu)轉(zhuǎn)碼器，在H．264解碼過程中提取有用信息，并經(jīng)過處理后優(yōu)化HEVC編碼過程。

2 模式選擇的快速算法

HEVC的模式選擇原理和H．264相似，在紋理復(fù)雜高的區(qū)域選擇尺寸較小的編碼單元，相應(yīng)的分配較多的編碼比特數(shù)。HEVC的編碼單元最大可達64×64，在模式選擇時根據(jù)率失真優(yōu)化（Rate Distortion Optimization，RDO）模型判斷最佳編碼結(jié)構(gòu)。本文轉(zhuǎn)碼器框架如圖1所示，首先在解碼器部分提取信息，然后在編碼部分處理信息。

圖1 轉(zhuǎn)碼器框架

該算法的具體過程如圖2所示，先計算SKIP模式的率失真代價，接著逐次計算幀間預(yù)測單元的率失真代價，然后計算幀內(nèi)預(yù)測單元的率失真代價。

圖2 模式選擇流程

在圖像的高復(fù)雜度區(qū)域，CU可遞歸分割成更小的編碼單元，重復(fù)執(zhí)行上述過程，直至CU達到8×8。在HEVC編碼過程中，需要遞歸至最大深度時才能計算出最佳編碼樹結(jié)構(gòu)，這樣每個CTU將會進行85次CU計算，該過程雖然提高了編碼效率，但犧牲了較多的編碼時間。

由于在H．264解碼過程中，可以知道每個MB的編碼比特數(shù)，相應(yīng)的可以預(yù)測該區(qū)域的圖像復(fù)雜度，從而可以縮小HEVC編碼的搜索深度，降低編碼時間。本文根據(jù)每個CTU所覆蓋區(qū)域在H．264中消耗的比特數(shù)和當前幀平均消耗比特數(shù)的比值預(yù)測該CTU的紋理復(fù)雜度，從而對搜索深度進行決策。計算公式如下：

其中，Npu是每一幀中的宏塊個數(shù)；PUBitsi是第i個PU所消耗的比特數(shù)；AvgBitsmb為H．264中每個宏塊平均消耗的比特數(shù)；Nc是每個CTU覆蓋的PU數(shù)目；PUBitsi是每個CTU映射到H．264中第i個宏塊所消耗的比特數(shù)；CTUBits（k）是HEVC中第k個CTU所覆蓋區(qū)域的宏塊平均比特數(shù)；R（k）是CUT所在區(qū)域消耗的宏塊平均比特數(shù)和當前幀的宏塊平均比特數(shù)之比。

對于復(fù)雜度較低的區(qū)域，HEVC可以采用大小為64×64的編碼單元，而H．264只能采用SKIP模式或Inter16×16模式，因此，從H．264分割模式也可以預(yù)測HEVC編碼深度。本文用N16×16代表當前CTU覆蓋區(qū)域的SKIP塊和Inter16×16塊的個數(shù)。文獻［6］做了關(guān)于 HEVC搜索深度和H．264相應(yīng)區(qū)域編碼比特數(shù)之間關(guān)系的實驗，根據(jù)該實驗的結(jié)果和H．264分割模式對CTU搜索深度預(yù)測如下：

如前文所述，HEVC通過遞歸至最大深度構(gòu)造最優(yōu)編碼樹結(jié)構(gòu)，其中，比較耗時的過程是在每個深度層次遍歷各種PU預(yù)測模式。文獻［6］中指出，在HEVC各種分割模式中，2N×2N分割模式所占比例最高，其次是2N×2N和N×2N分割模式，而非對稱分割模式所占比例很小。因此，為了節(jié)省編碼時間，可以預(yù)先建立分割模式的候選集，排除可能性比較小的分割模式。本文根據(jù)H．264解碼信息中每個預(yù)測單元的運動矢量信息預(yù)測每種分割模式的可能性。計算公式為：

其中，NPU為H．264中相應(yīng)區(qū)域預(yù)測單元的個數(shù)；αi是每個運動矢量（Motion Vector，MV）的權(quán)重系數(shù)，由PU尺寸大小與4×4的比值得到；MVi是每個PU的運動矢量；μPU是預(yù)測單元的平均運動矢量；VARPU是每個PU所覆蓋區(qū)域的運動矢量方差；VARCU是當前編碼單元（Coding Unit，CU）第k種分割模式所對應(yīng)總的運動矢量方差。按照每種分割模式下的方差值大小，只選取方差最小的3種分割模式作為分割模式候選集。

3 運動估計的快速算法

HEVC運動估計是為當前幀每個編碼塊在參考幀的搜索窗內(nèi)找到最佳匹配塊的過程［7］。搜索過程分為全局搜索和快速搜索，由于全局搜索耗時較長，HEVC可采用基于增強預(yù)測區(qū)域搜索（Enhanced Predictive Zonal Search，EPZS）的快速搜索算法。具體來講，HEVC以運動矢量預(yù)測值（Motion Vector Prediction，MVP）作為搜索起點，原理是根據(jù)當前塊在空間和時間相關(guān)塊的運動矢量建立若干個候選集，對于集合中每個MVP運用拉格朗日函數(shù)。無論從編碼時間和壓縮效率來講，候選集的設(shè)計和選擇對該搜索算法都至關(guān)重要，文獻［8］在此基礎(chǔ)之上通過優(yōu)化減小了運動估計搜索范圍。

本文基于H．264解碼信息對搜索起點和搜索范圍大小進行優(yōu)化。為了快速確定搜索起點，本文利用每個預(yù)測單元所在區(qū)域的平均運動矢量和運動矢量中值作為候選搜索起點，代替了HEVC中基于相鄰塊的預(yù)測算法。搜索起點的計算公式如下：

其中，MVavg是H．264中相應(yīng)區(qū)域的平均運動矢量；MVmid是對PU中各個MV求中值得到。由此，得到下列搜索起點候選集式（9），其中，包括式（7）和式（8）中得到的運動矢量平均值和中值。

HEVC中運動搜索范圍可以由相應(yīng)區(qū)域所有運動矢量的最大范圍預(yù)測得到，其計算公式分別為式（10）和式（11）。式（10）中，表示該PU中任意2個運動矢量的絕對差值，MVmax表示該PU中運動矢量的最大絕對差值，Ro是HEVC預(yù)先設(shè)定的搜索范圍，Range是最終的搜索范圍，由兩者中取最大值得到。

4 實驗結(jié)果與分析

在本文實驗中，H．264編解碼器為參考代碼JM18．6，HEVC編碼器為參考代碼 HM16．0，編碼時量化系數(shù)（Quantization Coefficient，QP）選擇為22，27，31，35。本文實驗硬件平臺為Intel i7－3537U＠2．0GHz雙核處理器，8 GB內(nèi)存。軟件配置具體信息如表1所示，其他配置均為默認條件。

表1 H．264和HEVC配置信息

為了全面的衡量本文算法的性能，實驗從文獻［9］中選取不同分辨率和運動特性的視頻序列。實驗從3個指標衡量算法的性能，指標均為本文轉(zhuǎn)碼算法的編碼部分和參考算法的對比結(jié)果。其中，ΔTime衡量本文算法的編碼時間；ΔRate衡量本文算法的編碼碼率；ΔPSNR衡量本文算法的信噪比。

為了具體評價本文各部分算法在轉(zhuǎn)碼性能的貢獻程度，表2分別給出了模式選擇和運動估計和HM參考代碼的對比結(jié)果。實驗數(shù)據(jù)表明，模式選擇算法平均節(jié)省了35．6%的編碼時間，而運動估計算法平均節(jié)省了15．0%的編碼時間。其中，隨著QP變大模式選擇快速算法節(jié)省的編碼時間逐漸變小，這是因為QP變大時編碼比特數(shù)的差異減小，導(dǎo)致搜索深度范圍變大。此外，運動估計算法在編碼Cactus和RaceHorses視頻序列時性能較優(yōu)，這和它們具有較強的運動特性有關(guān)。為了更全面衡量本文算法的性能，實驗測試了本文轉(zhuǎn)碼算法整體性能指標，同時和文獻［10］算法進行對比，具體實驗數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 2種算法整體性能對比（QP為22時）

表4 2種算法不同QP下的平均性能對比

實驗結(jié)果表明，本文算法相比于HM參考代碼節(jié)省了45．3%編碼時間，編碼碼率僅增加了1．6%，信噪比降低了0．081 dB。對比文獻［10］算法可知，本文算法在編碼時間上提高了10%，同時率失真性能相差不大。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于幀間預(yù)測的H．264到HEVC轉(zhuǎn)碼技術(shù)，在H．264解碼過程中提取能夠?qū)EVC編碼過程進行優(yōu)化的相關(guān)信息，通過對該信息的統(tǒng)計與分析，在HEVC編碼過程中重新利用這些信息從而提高編碼速度。實驗結(jié)果表明，該算法和HEVC參考代碼相比明顯減少了編碼時間復(fù)雜度。此外，為了更大程度地加快碼轉(zhuǎn)速度，本文算法還可以結(jié)合基于視覺顯著性的轉(zhuǎn)碼技術(shù)［11］和 HEVC編碼快速算法［12］等加速轉(zhuǎn)碼過程。然而由于HEVC標準的計算復(fù)雜度過高，其并不能較好地支持視頻實時編碼，因此需要利用多核處理器實現(xiàn)并行轉(zhuǎn)碼。

［1］Wiegand T，Sullivan G J，Bjntegaard G，et al．Overview of the H．264／AVC Video Coding Standard［J］．IEEE Transactions on Circuits and System for Video Technology，2003，13（7）：560－576．

［2］Sullivan G J，Ohm J R，Han W J，et al．Overview of the High Efficiency Video Coding（HEVC）Standard［J］．IEEE Transactions on Circuits and System for Video Technology，2012，22（12）：1649－1668．

［3］Goswami K，Kim B，Jun D S，et al．Early Coding Unit Splitting Termination Algorithm for High Efficiency Video Coding（HEVC）［J］．ETRI Journal，2014，36（3）：407－417．

［4］Zhang Dong，Li Bin，Xu Jizheng，et al．Fast Transcoding from H．264／AVC to High Efficiency Video Coding［C］／／Proceedings of ICME’12．Washington D．C．，USA：IEEE Press，2012：651－656．

［5］Ahmad I，Wei Xiaohui，Sun Yu，et al．Video Transcoding：An Overview of Various Techniques and Research Issues［J］．IEEE Transactions on Multimedia，2005，7（5）：793－804．

［6］Jiang Wei，Chen Yaowu，Tian Xiang．Fast Transcoding from H．264to HEVC Based on Region Feature Analy－sis［J］．Multimedia Tools and Applications，2013，73（3）：2179－2200．

［7］Purnachand N，Alves L N，Navarro A．Fast Motion Estimation Algorithm for HEVC［C］／／Proceedings of ICCE’12．Washington D．C．，USA：IEEE Press，2012：34－37．

［8］Fang J T，Chen Zongyi，Liao T L，et al．A Fast PU Mode Decision Algorithm for H．264／AVC to HEVC Transcoding［J］．Computer Science ＆ Information Tech－nology，2014，4（2）：215－225．

［9］Bossen F．Common Test Conditions and Software Reference Configurations［C］／／Proceedings of JCTVC’12．Stockholm，Sweden：［s．n．］，2012：1－3．

［10］Chen Zongyi，Tseng C T，Chang Paochi．Fast Inter Prediction for H．264to HEVC Transcoding［C］／／Proceedings of ICMT’13．［S．l．］：Atlantis Press，2013：1301－1308．

［11］蔣 煒，田 翔，陳耀武．H．264到HEVC的低復(fù)雜度視頻轉(zhuǎn)碼算法［J］．浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2014，48（6）：994－1003．

［12］周承濤．HEVC編碼快速算法關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2014．