崔巖松，趙佳瑜，任維政

(北京郵電大學(xué)智能交通信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100876)

HEVC/H.265視屏編解碼標(biāo)準(zhǔn)是新一代視頻編解碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由ISO與ITU共同制定，它主要是為在保證視頻質(zhì)量的情況下提高壓縮率、降低網(wǎng)絡(luò)帶寬，支持更大的視頻尺寸，更精細(xì)的編碼控制，用于對(duì)視頻要求更高的場(chǎng)合［1-2］。但是，HEVC由于其復(fù)雜度高，很難具有實(shí)用的效果，所以必須進(jìn)行優(yōu)化加速。本文以研究HEVC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在加深HEVC標(biāo)準(zhǔn)理解的基礎(chǔ)上，著手對(duì)測(cè)試模型HM進(jìn)行優(yōu)化加速。

和現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)類似［3］，HEVC保留混合編碼的基本體系結(jié)構(gòu)［4-5］。一個(gè)顯著的區(qū)別在于用類似四叉樹(quadtree)的結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的宏塊(macroblock)［6］。HEVC編碼流程可分解為預(yù)測(cè)、變換、量化和熵編碼4部分［7］。預(yù)測(cè)部分將對(duì)編碼器性能產(chǎn)生很大的影響［1］。預(yù)測(cè)分為幀間預(yù)測(cè)(inter prediction)，和幀內(nèi)預(yù)測(cè)(intra prediction)［1］，幀內(nèi)預(yù)測(cè)消除視頻序列的空間相關(guān)性，用于編碼I幀圖像［8-9］，幀間預(yù)測(cè)消除視頻序列的時(shí)間相關(guān)性，用于編碼P幀圖像［8，10］。其中，幀間預(yù)測(cè)的大致流程為:輸入像素塊與前一幀參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)后［11-12］，先進(jìn)行整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)、分像素內(nèi)插和分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)矢量，之后對(duì)已獲得的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫筋A(yù)測(cè)數(shù)據(jù)塊［1，13］。所以相比幀內(nèi)預(yù)測(cè)，幀間預(yù)測(cè)消除的時(shí)間相關(guān)性對(duì)視頻壓縮的壓縮比有很大的關(guān)聯(lián)［14］。本文主要對(duì)整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)所采用的算法進(jìn)行優(yōu)化。

1 整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)優(yōu)化算法

HEVC中快速運(yùn)動(dòng)的估計(jì)首先進(jìn)行整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)，運(yùn)用搜索模板找到最佳匹配的整像素點(diǎn);之后進(jìn)行分像素內(nèi)插，再進(jìn)行分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)，在整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)所找到的最佳匹配點(diǎn)的周圍進(jìn)行，檢測(cè)其1/2和1/4像素點(diǎn)，找到最佳匹配的分像素點(diǎn)，主要通過(guò)調(diào)用底層的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)［16］。整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)得到的是運(yùn)動(dòng)矢量的整像素值，決定了運(yùn)動(dòng)矢量的大致方向，因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。

本文主要針對(duì)整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)采用的EPZS算法進(jìn)行優(yōu)化。HEVC沿用了H.264/AVC的EPZS作為默認(rèn)的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法。該算法主要由運(yùn)動(dòng)矢量選擇、提前終止策略、運(yùn)動(dòng)矢量提取3部分組成。文獻(xiàn)中測(cè)試顯示，EPZS算法比全搜索算法加速比最大達(dá)6倍［15］，且能保證良好的壓縮性能和圖像質(zhì)量。HEVC整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)中采用的EPZS算法可以簡(jiǎn)述為:在大小為64×64的搜索框中，使用步長(zhǎng)(l)從1開始，以2的指數(shù)遞增的8點(diǎn)菱形搜索，當(dāng)SAD小于設(shè)定的閾值時(shí)停止搜索，得到運(yùn)動(dòng)矢量。在快速算法中，不同類型和尺寸的搜索模板一定程度上決定了搜索的效果。根據(jù)視頻序列的中心偏移性(MVD)，其運(yùn)動(dòng)矢量分布通常集中在搜索窗的中心位置附近，即大多數(shù)圖像序列的運(yùn)動(dòng)都是平穩(wěn)和緩慢的。8點(diǎn)菱形搜索適合搜索步長(zhǎng)適中的點(diǎn)，對(duì)于搜索步長(zhǎng)較小的點(diǎn)或較大的點(diǎn)，得到的搜索效果并不理想。因此，應(yīng)該更改開始和提前終止的策略，優(yōu)化搜索模板。

為此，在提出運(yùn)動(dòng)矢量搜索優(yōu)化算法之前，需要統(tǒng)計(jì)現(xiàn)實(shí)序列運(yùn)動(dòng)矢量的分布，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行類型劃分和調(diào)整搜索模板，減少搜索次數(shù)和運(yùn)動(dòng)估計(jì)計(jì)算量。由于搜索終止步長(zhǎng)分布可以間接反映運(yùn)動(dòng)矢量分布情況，且數(shù)據(jù)易于得到、統(tǒng)計(jì)方便，本文模板優(yōu)化的依據(jù)為搜索終止步長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布。

通過(guò)測(cè)試得到176×144(qcif)測(cè)試序列搜索終止步長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布和176×144(qcif)測(cè)試序列搜索終止步長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布，如表1和表2所示。

表1 176×144(qcif)測(cè)試序列搜索終止步長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)百分比 %

表2 1 920×1 080(class E)測(cè)試序列搜索終止步長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)百分比 %

根據(jù)以上分析，提出一種EPZS優(yōu)化算法及搜索模板，搜索模板見(jiàn)圖1。搜索框尺寸保持默認(rèn)值64，調(diào)整的EPZS搜索點(diǎn)為3類:4點(diǎn)的菱形搜索，8點(diǎn)的菱形搜索和16點(diǎn)的菱形搜索。當(dāng)步長(zhǎng)小于2時(shí)使用4點(diǎn)菱形搜索模板，如圖1a所示;當(dāng)步長(zhǎng)在2～4時(shí)使用8點(diǎn)菱形搜索模板，如圖1b所示;當(dāng)步長(zhǎng)大于8時(shí)使用精度大的16點(diǎn)菱形搜索模板，如圖1c所示。開始整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法之后，從距離為1開始對(duì)起始搜索點(diǎn)附近的點(diǎn)進(jìn)行搜索，每次搜索步長(zhǎng)以2的冪次增長(zhǎng)，每次搜索根據(jù)步長(zhǎng)選擇對(duì)應(yīng)的模板。即4點(diǎn)菱形搜索只是搜索距離為1時(shí)的搜索模板，8點(diǎn)菱形搜索是搜索距離為2，4，8的時(shí)的搜索模板，16點(diǎn)菱形搜索是搜索距離為16，32，64的時(shí)候的搜索模板。

圖1 4點(diǎn)、8點(diǎn)和16點(diǎn)菱形搜索模板

2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化算法，對(duì)測(cè)試模型HM進(jìn)行優(yōu)化，并使用不同格式的視頻序列對(duì)優(yōu)化后的編碼器進(jìn)行了測(cè)試，下面給出了尺寸為176×144(qcif)和1 920×1 080(class E)的幾個(gè)視頻序列的測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試視頻序列配置如下:測(cè)試序列尺寸為176×144(qcif)，編碼幀數(shù)為60幀，幀率為155 f/s(幀/秒)，序列比特深度為8;測(cè)試視頻序列尺寸為1 920×1 080(classE)，編碼幀數(shù)為5，幀率為25 f/s，序列比特深度為8。

表3顯示了尺寸176×144(qcif)測(cè)試視頻序列優(yōu)化前后比較結(jié)果，其中編碼幀數(shù)60，幀率5 f/s，序列比特深度為8。

表3 176×144格式圖像編碼優(yōu)化測(cè)試前后的性能變化 %

表4顯示了尺寸1 920×1 080(class E)測(cè)試視頻序列優(yōu)化前后比較結(jié)果，其中編碼幀數(shù)60，幀率5 f/s，序列比特深度為8。

表4 1 920×1 080格式圖像編碼優(yōu)化測(cè)試前后性能變化百分比 %

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)表3和表4，可以得到結(jié)論如下:

對(duì)于尺寸為176×144測(cè)試視頻序列，優(yōu)化后，對(duì)于視頻質(zhì)量的客觀值，亮度分量Y平均下降0.005 0 dB，色度分量U平均下降0.043 4 dB，色度分量V平均下降0.072 6 dB，編碼后碼流比特率最多上升2.21%，耗時(shí)最少下降3.03%。

對(duì)于尺寸為1 920×1 080測(cè)試視頻序列，優(yōu)化后，對(duì)于視頻質(zhì)量的客觀值，亮度分量Y平均上升0.008 1 dB，色度分量U平均下降0.014 9 dB，色度分量V平均下降0.047 7 dB，編碼后碼流比特率最多上升0.40%，耗時(shí)最少下降1.25%。

因此，可以確定該算法對(duì)尺寸為176×144和1 920×1 080視頻序列的編碼實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。在保證視頻質(zhì)量不變和編碼后碼流略微上升的前提下，降低了編碼耗時(shí)，且在每一次視頻序列測(cè)試中，編碼耗時(shí)下降程度超過(guò)了編碼后比特率的上升程度。

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