基于模式相关性的H.264帧内预测快速模式选择算法

　　H. 264是联合视频专家组公布的最新的视频压缩标准[1],该标准因其引入帧内预测、整数DCT、4×4块运动补偿、1/4像素运动估计、多参考帧预测等多项先进的技术,使其与先前的标准相比,压缩比提高了1倍,码率节省了50%[2]。在H. 264基本档次中,帧内预测有两种形形式:帧内16×16预测帧内4×4预测。其中,H. 264帧内的4×4预测有9种模式[1-4],它使用全搜索算法(Full SearchAlgorithm),为每个4×4块选择最佳模式,并且在全搜索算法中引入率失真优化技术[5](RataDistortionOptimization),由此计算9种模式的率失真代价[6]。

　　选择代价最小的模式作为最佳模式,从而使H.264获得了最佳的编码质量,同时也将码率降到最低。但是这种算法需要遍历所有的模式,运算量大、复杂度高,制约了H.264的编码速度,在一定程度上限制了它的实际应用。因此,很多快速的改进算法被提出,用以减小H.264的运算量,降低编码时间。

　　文献[7]提出一种PIPAMP算法,即根据宏块的纹理特征设定合适的门限来选择合适的帧内预测方式,平均降低23. 94%的编码时间;文献[8]提出一种快速的三步模式选择算法:首先计算模式0、模式1和DC模式的代价,从模式0和模式1中选出代价较小的模式;然后对与代价较小的模式相邻的两个模式进行二次模式选择,选出代价较小的模式;最后对二次模式选择中选出模式的相邻模式进行第三次模式选择,从三次模式选择过程中选出代价最小的模式作为最佳预测模式,可以将编码时间降低30%左右;文献[9]提出一种EIP算法,通过二次抽样技术,减少1个4×4块中要计算的像素数量,从而简化代价函数,降低了编码时间。文中针对帧内4×4预测,根据每个4×4块的位置和不同模式在方向上的相关性[8],提出一种快速模式选择算法,将要搜索的模式从9种降至6种,从而最大可降低约1/3的编码时间。仿真实验的结果证明,该算法在峰值信噪比(PSNR)没有明显降低和码率有较小增加的情况下,最大可将编码时间降低34. 5%。

　　1　H. 264帧内4×4预测

　　1.1　帧内4×4预测的原理

　　在帧内预测模式中,H. 264的帧内亮度预测有2种形式:一种是帧内16×16预测,共有4种预测模式;另一种是帧内4×4预测,共有9种预测模式。在帧内4×4预测中, 1帧图像被分成若干个4×4块分别进行预测。对其进行预测时,使用与其相邻的左侧和上侧经过编码并重构后的4×4块作为参考块,对其进行预测,如图1所示

　　帧内4×4预测原理如图2所示。由图2(a)可以看出, 1个4×4块中包含16个像素,分别标记为a ~ p,其值由已编码并重构的像素A ~M预测得来。图2(b)表示帧内4×4预测除了DC模式(模式2)以外8个模式的预测方向,其中DC模式是利用A ~M的加权平均值计算得来。