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面向運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸?shù)腍.263壓縮方法的分析與優(yōu)化
摘要：H.263是面向運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸?shù)膲嚎s方法。基于大量實際研究，分析了H.263的算法流程，從色彩空間轉(zhuǎn)換函數(shù)、DCT、IDCT、運(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)償?shù)榷喾矫嫣岢霾崿F(xiàn)對H.263的優(yōu)化策略，采用增強(qiáng)PB幀模式提高壓縮比，最后給出了定量測試結(jié)果。關(guān)鍵詞：H.263 CIF DCT IDCT運(yùn)動估計與運(yùn)動補(bǔ)償
運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸部分架構(gòu)在Internet之上，則現(xiàn)階段Internet的狀況是帶寬小、延遲大、不穩(wěn)定。所以為了獲得良好的實時傳輸效果，除了改善傳輸控制機(jī)制之外，還需要實現(xiàn)高壓縮比、低耗時、能達(dá)到實時壓縮和解壓縮效果的運(yùn)動圖像壓縮方法。H.263是國際電信協(xié)會-電信標(biāo)準(zhǔn)化部門ITU-T（The International Telecommunications Union-Telecom-munication Standardization Sector）于1995年通過的用于低比特率實時傳輸?shù)囊曨l編碼協(xié)議。其設(shè)計初衷是滿足帶寬低于64kbps的低帶寬視頻應(yīng)用需求，如視頻會議、可視電話等�，F(xiàn)在H.263也被應(yīng)用于運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸系統(tǒng)中，但原始的H.263在實時性和壓縮比等方面還有不少可優(yōu)化余地。本文針對具體的運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸系統(tǒng)應(yīng)用，在大量研究工作基礎(chǔ)上提出多個H.263的優(yōu)化策略，并取得了相當(dāng)好的效果。
1 H.263壓縮算法的分析概要
H.263的輸入視頻幀格式為QCIF（Quarter Common Intermediate Format,大小為176×144）、CIF（Common Intermediate Format,大小為352×288）等。將每個視頻幀分成許多宏塊（MB-Micro Block），每個宏塊由4個Y亮度塊、1個Cb色度塊和1個Cr色度塊組成。塊（Block）的大小為8×8。H.263以宏塊為單位進(jìn)行視頻幀的壓縮。
H.263使用離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform）減小空間冗余，使用運(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)償（Motion Estimation and Motion Compensation）減小時間冗余。H.263有兩種編碼方式，一種是Intra方式，幀內(nèi)編碼，產(chǎn)生的幀作為關(guān)鍵幀-I幀；另一種是Inter方式，幀間編碼，產(chǎn)生的幀作為非關(guān)鍵幀-P幀。
通過分析，將H.263壓縮算法的流程圖歸納為如圖1所示。
通過分析和測試表明，DCT、運(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)償是H.263最重要的部分，同時也是H.263實現(xiàn)中最耗時的運(yùn)算環(huán)節(jié)。要提高H.263的運(yùn)算速度，就要針對這些環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。
圖1 H.263壓縮算法流程圖
2 轉(zhuǎn)換函數(shù)、DCT和運(yùn)動估計環(huán)節(jié)的優(yōu)化
2.1 色彩空間轉(zhuǎn)換函數(shù)的優(yōu)化
CIF格式基于YUV色彩空間，而應(yīng)用程序中，大多數(shù)視頻采集程序只提供RGB色彩空間的視頻幀，因此需要建立從RGB色彩空間到Y(jié)UV色彩空間的轉(zhuǎn)換函數(shù)。
RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下所示，其中Y為YUV色彩空間的亮度值，U（Cb）和V（Cr）為YUV色彩空間的色度值。
Y=0.299×R+0.587×G+0.114×B；
Cr=V=(R-Y)×127/179;
Cb=U=(B-Y)×127/226;
H.263原有的色彩空間轉(zhuǎn)換算法采用浮點運(yùn)算，但浮點運(yùn)算會消耗較多的CPU周期。為了加快視頻處理速度，采用整形乘法和向右移位來代替浮點乘除，從而有效縮短了轉(zhuǎn)換時間。
優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：
Y=((R×313524)>>20)+((G×615514)>>20)×((B×119538)>>20);
Cr=V=((R-Y)×743962))>>20;
Cb=U=((B-Y)×589244))>>20;
2.2 DCT、IDCT算法的優(yōu)化
二維DCT公式為：
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二維IDCT公式為：
上述兩式中，,n取8。
通過分析得出，DCT快速算法的實現(xiàn)可以有兩種方式。一種方法是把已有的快速變換算法（如FFT、FHT等）映射到DCT計算中，這種方式多了一個映射環(huán)節(jié)，增加了計算的復(fù)雜度；另一種方法是從DCT變換本身尋找規(guī)律進(jìn)行改進(jìn)。
在H.263應(yīng)用中，注意到兩條規(guī)則：一是能量集中在少部分DCT系數(shù)上；二是隨著量化步長的增大，被量化為零的DCT系數(shù)增多，而且對DCT計算的精度要求降低。于是，采用一種零系數(shù)預(yù)測策略，即根據(jù)量化步長，首先對DCT變換的輸入數(shù)據(jù)分類，對于給定的量化步長，如果輸入數(shù)據(jù)將要被量化為0，那么這些數(shù)據(jù)就不必做DCT運(yùn)算，而直接將變換結(jié)果置為0。這樣只需對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換，因此節(jié)省了大量無效運(yùn)算。另外，利用DCT的局部并行性，使用Intel的多媒體處理指令集-MMX來實現(xiàn)DCT計算，大幅度提高了運(yùn)算速度。
2.3 運(yùn)動估計與運(yùn)動補(bǔ)償算法的優(yōu)化
運(yùn)動估計是指在參考幀中搜索一個與當(dāng)前幀圖像塊最相似的圖像塊，即最佳匹配塊，搜索結(jié)果用運(yùn)動向量來表示。運(yùn)動補(bǔ)償是指利用參考幀和已求得的運(yùn)動向量重構(gòu)當(dāng)前幀，氫重構(gòu)幀和當(dāng)前的差值作為當(dāng)前幀的補(bǔ)償值進(jìn)行壓縮編碼。兩者互相配合，共同實現(xiàn)壓縮效果。
運(yùn)動估計算法的研究從兩方面著手：快速搜索算法和塊匹配準(zhǔn)則。
最簡單的搜索算法是全搜索法（FS），這種算法精度高，但計算量過于龐大。為了加快運(yùn)算速度，保證精度，人們提出了很多快速搜索算法：三步法（TSS）及基于三步法的改進(jìn)算法、二維對數(shù)法（LOGS）、交叉搜索法（CS）、四步法（4SS）、預(yù)測搜索法（PSA）、鉆石搜索法（DS）等。鉆石搜索法是迄今為止綜合性能最優(yōu)的快速搜索算法之一，用于本次項目研究中。
塊匹配準(zhǔn)則決定何時找到最佳匹配塊，從而終止搜索進(jìn)程。傳統(tǒng)的準(zhǔn)則有絕對平均誤差函數(shù)（MAE）、互相關(guān)函數(shù)（CCF）、均方誤差函數(shù)（MSE）、最大誤差最小函數(shù)（MME）等。由于傳統(tǒng)方法沒有考慮人眼的視覺特性，所以判斷結(jié)果和人眼的感知相差較大。實際H.263采用的塊匹配準(zhǔn)則為MSE的替代準(zhǔn)則SAD（絕對差和），兩者的公式如下：
其中：F0和F-1分別代表當(dāng)前幀和重構(gòu)幀（參考幀）；k,l為待編碼宏塊在當(dāng)前幀中的坐標(biāo)；x、y為重構(gòu)幀中參考宏塊的坐標(biāo)；N表示宏塊的尺寸，此處為16。從公式中可見，SAD用絕對值運(yùn)算代替了MSE的乘方運(yùn)算，明顯降低了運(yùn)算量，從而可以加快計算速度。
測試表明，SAD的計算量要比MSE的計算量減少三分之一，而它們的圖像效果相當(dāng)。
此外，還可以利用硬件特性加速塊匹配準(zhǔn)則的運(yùn)算速度，Intel的MMX技術(shù)提供了這種特性。SAD等塊匹配準(zhǔn)則主要針對短數(shù)據(jù)的重復(fù)計算，MMX增加了系統(tǒng)單個指令操作數(shù)據(jù)的數(shù)目（SIMD），從而可以在一個指令中完成多組數(shù)據(jù)的計算，實現(xiàn)并行機(jī)制，從而加快運(yùn)算速度。
3 提高壓縮比的選擇
H.263提供了許多高級模式來提高視頻壓縮比。從對壓縮效率的貢獻(xiàn)角度看，大運(yùn)動向量模式、高級預(yù)測模式、PB幀模式和增強(qiáng)PB幀模式是最重要的4個高級模式。
在大運(yùn)動向量模式和高級預(yù)測模式下，運(yùn)動向量可以指到圖像邊界以外，增大了運(yùn)動向量的表達(dá)范圍，從而在本質(zhì)上提高了運(yùn)動補(bǔ)償?shù)木纫愿纳凭幋a效率。
基本PB幀模式下，一個PB幀是一個P幀和一個B幀組成的整體。當(dāng)前P幀由前一個P幀預(yù)測得到，B幀則由單一個P幀和當(dāng)前P幀預(yù)測得到（見圖2）。PB幀模式在增加較少比特數(shù)的情況下，將幀率提高了近一倍。
增強(qiáng)PB幀模式的主要改進(jìn)點在于預(yù)測方式的增強(qiáng)�；綪B幀模式對B幀圖像（或宏塊）僅允許使用雙向預(yù)測，而增強(qiáng)的PB幀模式對B幀圖像則允許使用前向預(yù)測（見圖3）、后向預(yù)測（見圖4）和雙向預(yù)測（見圖2）三種手段。這樣，在壓縮過程中，有機(jī)會選擇更適合的預(yù)測方法處理B幀圖像（或宏塊），從而提高B幀的壓縮效率。基本PB幀模式的B幀只能通過雙向預(yù)測獲得，這對慢速運(yùn)動圖像效果較好。當(dāng)輸入運(yùn)動圖像存在快速不規(guī)則的運(yùn)動時，B幀質(zhì)量會急劇惡化，而增強(qiáng)PB幀模式的B幀有三種預(yù)測方式可選，可以解決這一難題。通過分析和測試表明，增強(qiáng)PB模式比基本PB幀模式有更強(qiáng)的魯棒性，更適用于運(yùn)動圖像遠(yuǎn)程實時傳輸
。
大運(yùn)動向量模式和高運(yùn)動預(yù)測模式由于增大了運(yùn)動向量的表示范圍，可以增強(qiáng)運(yùn)動補(bǔ)償?shù)木�，從而提高壓縮比；而增強(qiáng)PB幀模式引入B幀，有三種預(yù)測方式可以生成B帖，在相同幀率的情況下，將壓縮比提高近80%，壓縮效果明顯。在實際程序設(shè)計中，筆者配合傳輸環(huán)境測試模塊，在網(wǎng)絡(luò)帶寬較低時實現(xiàn)這三種方式的配合使用，發(fā)揮了更大的壓縮效率，達(dá)到更高的壓縮比。
4 實驗數(shù)據(jù)和性能分析
4.1 算法優(yōu)化測試
分別取100幀三種不同格式（SUB-QCIF：88×72，QCIF：176×144，CIF：352×288）的視頻值，每20幀取1個關(guān)鍵幀，視頻幀質(zhì)量取6000，比較優(yōu)化前和優(yōu)化后算法的時間效率，結(jié)果如（圖5）所示。
縱軸單位為毫秒，表示壓縮完成所需時間�？梢�，要處理的視頻幀越大，優(yōu)化后的算法取得的加速效果越明顯。
4.2 增強(qiáng)PB幀模式壓縮效果測試
分別取100幀三種不同格式（SUB-QCIP：88×72，QCIF：176×144，CIF：352×288）的視頻幀，每20幀取1個關(guān)鍵幀，視頻幀質(zhì)量取6000，比較使用增強(qiáng)PB幀模式前和使用增強(qiáng)PB幀模式后算法的壓縮效率，結(jié)果如（圖6）所示。
縱軸為壓縮比。要處理的視頻幀越大，冗余信息越多，增強(qiáng)PB幀模式的壓縮效果越明顯。
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