一種基于DSP平臺的快速H.264編碼算法的設(shè)計

　　2.2 編碼器編碼流程

　　如圖4所示為H.264編碼器主流程。對輸入的一幀圖像首先進行單元劃分：以宏塊為基本單元進行劃分，再由若干宏塊在組合成Slice，由Slice再組合成Slice Group，這樣每個宏塊所屬的Slice和Slice Group也就確定了。再判斷輸入的一幀圖像是I-Frame還是P-Frame。在以上工作完成后，也就可以對每個宏塊進行編碼了。在對每個宏塊都編碼完成后，還需要對重構(gòu)圖像進行1／4象素精度插值處理、參考幀緩沖區(qū)插入處理等工作。至此，編碼一幀的工作才算完成。

　　3 運動估計模式快速率失真決策

　　為了減少圖像序列的時間冗余，達到更好壓縮效果的目的，H.264／AVC編碼方案采用運動補償技術(shù)和預(yù)測。即由先前已編碼的一個或多個幀產(chǎn)生當前編碼幀的一種預(yù)測模式，然后再進行預(yù)測編碼。且采用了一種可變塊尺寸的運動預(yù)測模式，亮度塊尺寸的范圍從16×16變化到4×4，其中包含很多可選模式，形成了一種樹形結(jié)構(gòu)的運動預(yù)測。對于I幀(包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16)，對P幀(包含幀內(nèi)4×4、幀內(nèi)16×16、SKIP模式、幀間16×16、幀間16×8、幀間8×16、幀間8×8、幀間8×4、幀間4×8)同時還為P幀和B幀提供了特殊的SKIP模式，總共11種模式。這些可選模式的存在使得編碼方式更加靈活，編碼精度相對于固定尺寸塊預(yù)測要高很多。然而，可選的幀問預(yù)測模式增加了，必然會使得運算復(fù)雜度增加，因此有必要采用一種高效的決策方法來選取塊尺寸組合方式，使得編碼效率和編碼質(zhì)量均佳。

　　3.1 拉各朗日代價函數(shù)

　　引入拉各朗日代價函數(shù)如下：

　　其中D表示重構(gòu)恢復(fù)圖像相對于原始圖像間的失真；R(si，m)表示對宏塊編碼后數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)在碼流中所占用的比特數(shù)，一般由編碼統(tǒng)計得到，但對于SKIP模式，比特數(shù)默認為1比特；λ表示模式選擇時所使用的拉各朗日乘積因子。

　　對于運動估計，可使用拉各朗日代價函數(shù)作為選擇運動矢量的判決標準。根據(jù)式(1)得到對一個采樣塊si進行ME判決的代價函數(shù)為下：

　　該式返回產(chǎn)生最小代價值的最佳匹配運動矢量mi，其中M指各種可能編碼模式的集合，m為當前選定模式，式(2)中R(si，m)是運動矢量(mx，my)所要傳輸(按熵編碼)的比特數(shù)。D(si，m)表示對圖像宏塊的預(yù)測誤差，對于該預(yù)測誤差的計算有兩種方案：當預(yù)測誤差選擇是絕對誤差時用(SAD)表示，如式(3)；當預(yù)測誤差選擇是平方差時，則用SSD表示，如式(4)中：

　　其中A為當前編碼宏塊。在使用多參考幀進行運動估計時，mi表示所選用的最佳參考幀。在進行運動搜索時，對塊si先是進行整象素精度的運動搜索，以取式(1)最小值為匹配標準，得到整象素精度最佳匹配點后，以同樣的方法進行1／2，1／4象素精度的匹配搜索。同時在多個參考幀內(nèi)作同樣的操作，將所得的函數(shù)代價進行比較得到最小值，也就找到了s，塊的最佳匹配的運動矢量mi。

　　3.2 快速預(yù)測模式判斷算法

　　快速算法相對于拉各朗日代價函數(shù)算法，可分以下兩步實現(xiàn)：

　　(1)以基于預(yù)測模式的方式計算代價函數(shù)J，但是這里采用簡化的計算方法，對每一種采樣模式進行分行交錯隔點采樣，如對8×8塊內(nèi)象素進行下采樣，采樣如圖5所示。

　　然后對采樣點計算SAD，記做SADi。僅對采樣點計算的拉各朗日代價函數(shù)如下：

　　J=[SAD(si，m)+λ?R(si，m)]

　　先對上述各種模式分別計算代價函數(shù)J，然后選擇代價最小的3種模式構(gòu)成候選模式集。

　　(2)對步驟(1)所得到的候選模式集中每個模式，按照式(1)，通過計算基于率失真的代價來實現(xiàn)基于RDO的模式選擇，也即C值最小的模式作為最終預(yù)測模式。

　　4 測試結(jié)果與結(jié)論

　　目前，基于DM6446平臺上設(shè)計的以上H.264編碼器系統(tǒng)己基本完成，我們選擇了幾個常見的視頻對該編碼器進行了性能測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)表明本H.264編碼器能夠正常工作，且表現(xiàn)出較好的壓縮性能。當然該編碼器只實現(xiàn)了H.264協(xié)議的基本檔次的部分，而且尚未進行更專門的優(yōu)化過程，而協(xié)議的其他部分，由于其復(fù)雜性，則需要進行進一步研究，沿著這個方向，視頻還可以進一步壓縮。