分像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、2003年由國(guó)際電信聯(lián)盟和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定的H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)正式頒布。和以往編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264/AVC編碼效率獲得了大幅提高，具有更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和容錯(cuò)特性。H.264/AVC的應(yīng)用范圍貫穿無(wú)線視頻通信，基于IP網(wǎng)的流媒體服務(wù)，激光視盤(pán)存儲(chǔ)，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(lǐng)域。這種新型的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)是H.264/AVC壓縮

2、性能提升的主要來(lái)源，但另一方面，編解碼的計(jì)算和訪存復(fù)雜度也大幅度增加。本文針對(duì)分像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊在復(fù)雜度優(yōu)化，編碼性能優(yōu)化和VLSI體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，取得了以下研究結(jié)果： (1)低解碼復(fù)雜度分像素濾波器設(shè)計(jì)：H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)采用了分像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，運(yùn)動(dòng)矢量的精度可以達(dá)到四分之一像素，分像素位置的亮度值，通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(jì)算和訪存復(fù)雜度也大幅度增加。尤其在高清格式視頻的實(shí)時(shí)解碼中，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)量和計(jì)算量龐大，解碼延遲和功耗主要源于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的存儲(chǔ)器訪問(wèn)，高精度運(yùn)動(dòng)矢量和長(zhǎng)抽頭濾波器進(jìn)一步加重了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊的訪存和計(jì)算負(fù)擔(dān)，使分像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊成為實(shí)時(shí)解碼的瓶頸問(wèn)題。 本文在分析了高清視頻信號(hào)的自相關(guān)特征的基礎(chǔ)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(guò)程，與H.264的插值濾波方法相比，取得了類(lèi)似的編碼性能，在解碼端，訪存復(fù)雜度降低了10％，計(jì)算復(fù)雜度降低了40％。該方法于2003年10月被國(guó)內(nèi)制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVSl.O采納。 (2)幀級(jí)自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)：由于視頻信號(hào)采集過(guò)程和分像素插值濾波器的非理想低通特性，使得經(jīng)過(guò)插值濾波放大的參考圖像中存在高頻分量的混疊，我們稱(chēng)這種混疊為濾波噪聲；其次，參考圖像是源圖像經(jīng)過(guò)編解碼過(guò)程

5、后的重建圖像，編碼過(guò)程中會(huì)引入量化噪聲；最后，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的過(guò)程中，由于有限的運(yùn)動(dòng)矢量精度，運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)矢量的偏差，我們稱(chēng)這這種偏差為運(yùn)動(dòng)矢量噪聲。由于這三種噪聲的存在，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而降低編碼效率。 本文首先對(duì)這三種噪聲對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)過(guò)程的影響在時(shí)域和頻域進(jìn)行了分析，然后對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)建模，將這三種噪聲源引入殘差模型中，在幀一級(jí)通過(guò)自

6、適應(yīng)調(diào)整插值濾波器系數(shù)來(lái)最小化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的殘差能量，提高編碼效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在編碼復(fù)雜度和編碼延遲的適度增加的條件下，本文提出的自適應(yīng)濾波方法可以有效的抑制運(yùn)動(dòng)矢量噪聲，量化噪聲和濾波噪聲，提高運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的效率，在二分之一像素運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)

7、償VLSI體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：H.264／AVC編碼性能的取得，以數(shù)倍增加編解碼復(fù)雜度為代價(jià)。據(jù)分析<'[57]>，H.264／AVC的編碼復(fù)雜度是MPEG-4part 2的2-14倍，解碼復(fù)雜度是MPEG-4 part 2的2-3倍。實(shí)時(shí)解碼是視頻通信的基本保障，但另一方面，解碼算法被標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無(wú)法從算法級(jí)進(jìn)行加速優(yōu)化，因此，基于計(jì)算平臺(tái)的解碼器優(yōu)化是該標(biāo)準(zhǔn)能否實(shí)際應(yīng)用的保障。分像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊在H.264／AVC解碼時(shí)間上占有約45％比重

8、，是主要的訪存和計(jì)算瓶頸。 本文首先分析了H.264／AVC解碼器的瓶頸問(wèn)題，然后詳細(xì)介紹了分像素運(yùn)動(dòng)過(guò)程的每個(gè)模塊對(duì)VLSI設(shè)計(jì)復(fù)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(lái)降低運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(wèn)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(shè)計(jì)方案，提高插值運(yùn)算的吞吐率，解決計(jì)算瓶頸問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以降低約60％的參考數(shù)據(jù)訪問(wèn)量