分像素運動補償優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、2003年由國際電信聯(lián)盟和國際標準化組織聯(lián)合制定的H.264/AVC編碼標準正式頒布。和以往編碼標準相比，H.264/AVC編碼效率獲得了大幅提高，具有更好的網(wǎng)絡適應性和容錯特性。H.264/AVC的應用范圍貫穿無線視頻通信，基于IP網(wǎng)的流媒體服務，激光視盤存儲，高清晰度電視，超高清數(shù)字電影等等，幾乎涵蓋了所有的視頻通信領域。這種新型的視頻編碼標準獲得了業(yè)界廣泛的關(guān)注，相關(guān)的研究和產(chǎn)品層出不窮。分像素運動補償技術(shù)是H.264/AVC壓縮

2、性能提升的主要來源，但另一方面，編解碼的計算和訪存復雜度也大幅度增加。本文針對分像素運動補償模塊在復雜度優(yōu)化，編碼性能優(yōu)化和VLSI體系結(jié)構(gòu)設計三個方面進行了深入研究，取得了以下研究結(jié)果： (1)低解碼復雜度分像素濾波器設計：H.264/AVC標準采用了分像素運動補償技術(shù)，運動矢量的精度可以達到四分之一像素，分像素位置的亮度值，通過二維可分離的六抽頭維納濾波器和線性平均濾波器獲得。與采用雙線性濾波器和二分之一像素運動矢量精度模式

3、相比，編碼效率獲得了近20％的提升。但另一方面，編解碼的計算和訪存復雜度也大幅度增加。尤其在高清格式視頻的實時解碼中，數(shù)據(jù)的訪問量和計算量龐大，解碼延遲和功耗主要源于運動補償模塊的存儲器訪問，高精度運動矢量和長抽頭濾波器進一步加重了運動補償模塊的訪存和計算負擔，使分像素運動補償模塊成為實時解碼的瓶頸問題。 本文在分析了高清視頻信號的自相關(guān)特征的基礎上，提出了一種基于兩步四抽頭濾波器的分像素插值技術(shù)。該方案結(jié)合利用三次卷積濾波器和

4、三次B樣條器完成高清視頻序列的四分之一像素的插值過程，與H.264的插值濾波方法相比，取得了類似的編碼性能，在解碼端，訪存復雜度降低了10％，計算復雜度降低了40％。該方法于2003年10月被國內(nèi)制定的視頻編碼標準AVSl.O采納。 (2)幀級自適應濾波器設計：由于視頻信號采集過程和分像素插值濾波器的非理想低通特性，使得經(jīng)過插值濾波放大的參考圖像中存在高頻分量的混疊，我們稱這種混疊為濾波噪聲；其次，參考圖像是源圖像經(jīng)過編解碼過程

5、后的重建圖像，編碼過程中會引入量化噪聲；最后，在進行運動估計的過程中，由于有限的運動矢量精度，運動矢量場的不連續(xù)性以及前面提到的濾波噪聲和量化噪聲的干擾，會產(chǎn)生運動矢量的偏差，我們稱這這種偏差為運動矢量噪聲。由于這三種噪聲的存在，會影響運動補償預測的準確性，進而降低編碼效率。 本文首先對這三種噪聲對運動補償預測過程的影響在時域和頻域進行了分析，然后對運動補償預測殘差進行嚴格的數(shù)學建模，將這三種噪聲源引入殘差模型中，在幀一級通過自

6、適應調(diào)整插值濾波器系數(shù)來最小化運動補償預測的殘差能量，提高編碼效率。實驗結(jié)果表明：在編碼復雜度和編碼延遲的適度增加的條件下，本文提出的自適應濾波方法可以有效的抑制運動矢量噪聲，量化噪聲和濾波噪聲，提高運動補償預測的效率，在二分之一像素運動矢量精度條件下，編碼效率平均提高0.55dB，在四分之一像素運動矢量精度條件下，編碼效率平均提高0.23dB；在低碼率條件下，重建視頻的主觀質(zhì)量也有明顯提高。 (3)高吞吐率低訪存量分像素運動補

7、償VLSI體系結(jié)構(gòu)設計：H.264／AVC編碼性能的取得，以數(shù)倍增加編解碼復雜度為代價。據(jù)分析<'[57]>，H.264／AVC的編碼復雜度是MPEG-4part 2的2-14倍，解碼復雜度是MPEG-4 part 2的2-3倍。實時解碼是視頻通信的基本保障，但另一方面，解碼算法被標準規(guī)定，無法從算法級進行加速優(yōu)化，因此，基于計算平臺的解碼器優(yōu)化是該標準能否實際應用的保障。分像素運動補償模塊在H.264／AVC解碼時間上占有約45％比重

8、，是主要的訪存和計算瓶頸。 本文首先分析了H.264／AVC解碼器的瓶頸問題，然后詳細介紹了分像素運動過程的每個模塊對VLSI設計復雜度的增加，最后給出了三種訪存優(yōu)化策略和一種參考像素緩沖區(qū)組織結(jié)構(gòu)來降低運動補償模塊的訪存數(shù)據(jù)量，提高訪存總線的利用率，解決訪存瓶頸問題；提出了一種基于并行及流水線結(jié)構(gòu)的分像素插值濾波器設計方案，提高插值運算的吞吐率，解決計算瓶頸問題。實驗結(jié)果表明，本文提出的設計結(jié)構(gòu)可以降低約60％的參考數(shù)據(jù)訪問量