一种基于快速模式选择的 H．264跳帧转码算法的研究

一种基于快速模式选择的 H．264跳帧转码算法的研究程悦;贾克斌;吕卓逸【摘要】为使视频数据适应异构网络和不同终端设备，基于最新视频编码标准H．264的跳帧转码技术成为当前的研究热点。

针对在 H．264跳帧转码过程中，对所有帧间候选模式进行运动估计而耗费巨大计算资源等问题，在分析相邻帧对应宏块编码特性的基础上，提出一种基于宏块时域相关性的快速模式选择算法。

该算法首先统计不同特性视频序列相邻帧对应宏块编码模式的相关性；选取相关性高的模式作为编码模式可选集合，以减少模式选择遍历数目；在对当前宏块进行编码时，根据前一帧对应宏块的模式从上述集合中选取模式进行遍历，以实现率失真优化算法的提前终止。

实验结果表明，该算法在控制比特率增长4％的情况下，缩减编码时间近25％，说明算法在保证视频图像具有较好质量的前提下，能够有效降低算法的时间复杂度。

%For accommodating video data to heterogeneous networks and different terminal devices,the frame-skipping transcoding technology based on the newest video coding standard H.264 has become the research focus.To solve the problem of huge consumption of computational resource caused by applying motion estimation to all interframe candidate modes during H.264 frame-skipping transcoding process,we propose a fast mode decision algorithm,which is based on temporal correlation of macro-blocks,according to the analysis of character of adjacent frames corresponding to the macro-blockscoding.First,the algorithm summarises the correlation of the adjacent frames in video sequence with different characters in corresponding to macro-blocks coding modes;then it chooses those modes with highcorrelation as the selective set of coding modes to reduce the number of traversals in mode selection.Finally,when coding the current macro-block, based on the mode of the corresponding macro-block in prior frame,it chooses the candidate modes from the set to traverse,so as to achieve the early-termination of the RDO (rate distortion optimisation ).Experimental results show that the proposed algorithm can reduce approximately 25% coding time with 4% bit rate increasing,which indicates that the algorithm can efficiently reduce the complexity of computational time and simultaneously maintain a high quality of transcoded pictures as well.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P136-140)【关键词】基于 H.264 的视频转码;跳帧转码;帧间模式选择;宏块时域相关性【作者】程悦;贾克斌;吕卓逸【作者单位】北京工业大学电子信息与控制工程学院北京 100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院北京 100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TP391Cheng Yue Jia Kebin Lü Zhuoyi近年来，随着网络通信的飞速发展和数字视频压缩技术的进步，基于互联网和最新国际视频编码标准H.264/AVC的数字视频服务业务(如视频会议、视频点播和数字电视、视频通信等)已日渐普及到人们的生活和工作之中[1]。

其中，当视频服务器需要针对不同客户终端和通信信道提供视频数据支持服务时，由于不同终端设备的性能、网络带宽和视频编码标准之间存在着很大的差异性，为使视频数据适应各类环境，视频转码技术成为目前视频处理领域中的研究热点之一[2]。

视频转码技术以高质量对视频压缩码流进行解码再编码，得到目标码流以适应不同需求。

目前视频转码技术主要分为码率转换、时间/空间分辨率转换和编码标准之间的转换三类。

H.264/AVC作为目前较新的视频压缩标准，较其他编码标准在视频压缩率方面有显著提高。

同时该标准引入面向IP的编码机制，更好地支持网络传输，在无线网络信道中具有更好的适应性。

H.264/AVC标准优势突出，应用广泛，已成为目前主流的编码技术和研究对象。

进而，基于H.264的跳帧转码技术也已成为视频转码的一个关键技术和研究热点，该技术通过降低时间分辨率来降低高质量输入压缩码流的码率，以适应不同网络的带宽和终端设备的要求。

然而，H.264/AVC采用的多模式帧内预测和可变块尺寸的运动估计，在提升编码性能的同时也造成了计算复杂度的大幅提高。

其运动估计及运动补偿约占用H.264编码时间的60%[3]。

在H.264跳帧转码的过程中，如果应用全解全编结构，实现完整的运动估计和模式选择，将造成转码算法的效率低下。

如何充分利用原始输入码流中的编码信息来提高转码速度，改善算法的实时应用，成为跳帧转码的一个重要研究方向。

针对H.264多种帧内、帧间预测模式造成复杂度高的问题，很多学者进行了研究和改进。

J. Lee 等人[4]对预测模式进行分组，利用运动矢量判断宏块的运动特征，通过设置多阈值以决策预测模式。

J. F. Xu 等人[5]在分析运动矢量与绝对误差和SAD(sum of absolute difference)值之间关系的基础上，提出快速模式选择算法以实现模式选择的提前终止。

这类算法取决于阈值的选取，以及对原始编码信息的利用。

J. Wang等人提出了一种离线训练模型来对帧间预测模式进行选择[6]。

本文对跳帧转码的快速模式选择进行研究，提出一种基于宏块时域相关性的快速模式选择算法。

本文利用视频序列相邻帧具有相关性这一特点，选择不同运动程度和纹理丰富程度的视频序列作为训练样本。

在统计分析视频相邻帧对应宏块的编码特性时，发现两者存在相对集中的对应关系，即说明遍历所有模式并不必要。

本文算法保留了相关性高的编码模式，最终缩小了预测模式的可选范围。

实验结果表明，本算法在保证视频图像具有较好质量的前提下，能够有效减少编码时间，降低算法时间复杂度。

视频转码技术充分利用已压缩的视频码流中的信息，将已编码的码流1解码再编码得到码流2。

转码过程中以高质量对压缩码流的码率、帧率、分辨率和编码标准等进行转换[7]，以适应不同的网络传输带宽、终端处理能力和多样化的用户需求。

根据不同的应用背景，视频转码分为码率变换、分辨率转换、压缩编码标准之间转换这三种转码方法。

其中分辨率转换又分为降低空间分辨率和降低时间分辨率转换。

目前较为常用的是降低时间分辨率的转码方法。

基于H.264的跳帧转码技术通过降低时间分辨率来降低视频码流的码率。

像素域的跳帧转码过程由前端编码器、转码编码器和后端解码器级联构成[8] ，如图1所示。

其中，P表示编码器的当前输入帧，R为重建帧。

DCT 为离散余弦变换，IDCT为离散余弦反变换；Q为量化，IQ为反量化；MEM为帧存储器；MC为运动补偿。

转码过程将输入视频码流1进行解码，再按照新的目标码率重新编码，得到视频码流2，一般情况下，新的码流码率小于原始码率。

本文主要针对转换编码器中跳帧和编码过程进行研究。

H.264的编码标准，应用差分预测编码加变换编码的混合编码框架，将输入帧以宏块为单位进行处理。

首先进行帧内或帧间预测。

若采用帧间预测编码，预测值由当前帧和已编码的参考帧经过运动估计和运动补偿后得出。

当前宏块和预测宏块相减后，产生残差信号，进行DCT变换、量化、熵编码过程，与编码所需头信息组成压缩码流，经网络自适应层NAL打包传输和存储。

其中，H.264采用可变大小块的帧间预测。

对每一宏块按照16×16、16×8、8×16、8×8这4种模式划分。

若选择8×8模式，该宏块还可进一步划分为8×8、8×4、4×8、4×4共4种子分割，如图2所示。

除上述模式外，还采用直接拷贝模式SKIP和帧内模式I4MB、I16MB。

预测编码时遍历所有分割模式，分别进行运动估计。

在运动估计的过程中，采用率失真优化的模式判决方法。

按照公式(1)计算所有模式的率失真代价，其中SAD为宏块的失真，R为需要编码的信息码率，λ为调节失真与码率的权重系数，选择率失真代价最小的模式作为宏块帧间编码模式。

因此，在预测过程中，模式选择和运动估计占用极大的计算量，若在编码器中对所有模式进行遍历，将造成极大的运算复杂度，使转码效率低下。

为减少模式选择的数目和率失真代价的计算量，提高转码速度，本文基于宏块时域相关性，提出一种快速帧间模式选择算法，来确定一个较小的模式选择范围。

2.1 相邻帧宏块时域相关性分析实际视频信号的相邻两帧之间差异较小，存在极大的相关性,其主要体现在背景区域和目标物体的位置相对固定，且物体运动的位移量较小。

这种相关性即称时域相关性。

而在宏块编码的过程中，对于比较平坦或运动程度不剧烈的宏块常采用大尺寸分割模式，对于运动程度较大或包含细节较多的宏块进行小尺寸分割。