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1、河南大学 硕士学位论文 H.264中基于帧内编码的适应性帧内预测算法 姓名：王珊 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：张伟风 2011-05 I 摘摘 要要 本文主要针对当前最为流行的视频编解码标准 H.264/AVC 的编码过程进行研究，并 尝试提出一种新的帧内预测（Intra coding）算法。针对当今视频编码复杂度日益提高 的问题，本文提出一种新的基于帧内编码的适应性算法，试图通过对不同方向预测模式 的失真率分析，使用最可能模式来取代原有的多个预测模式，从而降低编码复杂度并提 高编码效率。通过实验验证，新算法可以较好的实现这一目的。 在视频编码过程中，主要有两种预
2、测模式：帧内预测（Intra prediction）和帧间 预测（Inter prediction） 。前者主要用作在一帧图像内，减少其中的空间冗余度；而 后者主要用于在不同帧之间，减少其序列间的时间冗余度。总体来讲，帧间编码在编码 效率上是高于帧内编码的。但是，在随机处理、错误恢复以及突然画面转变等方面，帧 内编码具有不可替代的重要性。在标准中，允许帧内编码使用三种类型的模块(Intra44, Intra88 和 Intra1616)，它们均使用相邻解码元素进行预测。我们可以通过理想失真率 来评价帧内编码中不同的预测模式， 并借此来提高帧内编码的效率。 然而在这个过程中， 会因为计算失真率而
3、较大的增加帧内编码的复杂度和冗余度，因此，研究人员进行了大 量相关工作来降低在帧内编码过程中的计算量。在本文中，我们提出了一种全新的适应 性帧内预测算法来提高帧内编码效率以及降低编码复杂度。 我们的算法的核心思想是尝 试减少用来表征帧内模块的预测模式的比特数，如果每个预测模式均可减少一些比特 数，那么对整个视频而言，宏观来看，减少的比特数是非常可观的。编码效率也随之会 有很大的提升。 在经过理论分析后，我们设计出具体的算法，然后通过相关软件对一系列图像采用 传统编码和应用了我们新算法的编码程序进行压缩。从结果来看，我们在提高编码效率 方面的努力是卓有成效的。尤其需要指出的是，从最后的实验结果来
4、看，我们的算法在 缩短编码时间上的作用是非常显著的，这一点对未来的网络视频方面会有比较大的促 进。 关键词：帧内编码,理想失真率,最可能模式,帧内预测,H.264/AVC 协议 III Abstract This thesis focuses on the research of coding process of the video coding standard H.264/AVC, which is quite popular recently and put forward an original algorithm, called adaptive intra prediction
5、method (AIP), in the field of intra coding process. In this thesis, the algorithm, which is based on an analysis of the rate-distortion of the prediction modes, is proposed to improve the coding efficiency and reduce the encoding complexity in the H.264/AVC coding. Tested by series of experiments, t
6、he proposed algorithm can achieve our purpose satisfactorily. In the procedure of video coding, there are two prediction methods, i.e. Intra prediction and Inter prediction. The former is used to remove the spatial redundancy in a frame, while the later removes the inter frame temporal redundancy in
7、 a sequence. Generally, inter coding is superior to intra coding in terms of the coding efficiency, because it offers a better prediction result. However, intra coding is essential for random access, abrupt scene changes, and error recovery. In the standard of H.264, it allows three block types for
8、intra coding, i.e. Intra44, Intra88, and Intra1616. Each of these Intra block types has several directional predictions modes, which use the neighboring decoded pixels for prediction. The best mode of these predictions is decided through the Rate-Distortion Optimization (RDO) process. The directiona
9、l prediction modes need a lot of overhead bits to represent the modes for each block, which may reduce the coding efficiency. In the thesis, we gave an original adaptive intra prediction algorithm to improve the coding efficiency and reduce the coding complexity by means of reducing the number of bi
10、ts representing the prediction modes of the intra block. After theoretic analysis, we gave out our original algorithm and henceforth we tested series of pictures IV by this algorithm. From the experiment results, the effect of our algorithm to improve coding efficiency was obvious, especially, in th
11、e field of reducing coding time, which will be positive power for web-video field. KEY WORDS: Intra coding, Rate-Distortion Optimization, Most possible mode, Intra prediction, H.264/AVC protocol 关于学位论文独创声明和学术诚信承诺 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导 师的指导下独立完成的， 对所研究的课题有新的见解。 据我所知， 除文中特别加以说明、 标注和致谢的地
12、方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其 他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 在此本人郑重承诺：所呈交的学位论文不存在舞弊作伪行为，文责自负。 学位申请人（学位论文作者）签名： 201 年 月 日 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全了解并同 意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家图书馆、科研信息 机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文（纸质文本和电子文本）以供公众检 索、查阅。本人授
13、权河南大学出于宣扬、展览学校学术发展和进行学术交流等目的，可 以采取影印、 缩印、 扫描和拷贝等复制手段保存、 汇编学位论文 （纸质文本和电子文本） 。 （涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书） 学位获得者（学位论文作者）签名： 201 年 月 日 学位论文指导教师签名： 201 年 月 日 研究背景 1 第1章 研究背景 1.1 发展历史 所谓视频编码方式就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换 成另一种视频格式文件的方式。视频压缩技术是计算机处理视频的前提。视频信 号数字化后数据带宽很高，通常在20MB/秒以上，因此计算机很难对之进行保存 和处理。采用压缩技术以后通常数据带
14、宽右以降到1-10MB/秒，这样就可以将视 频信号保存在计算机中并作相应的处理1。 早期视频编解码主要采用三种技术：预测编码、变换编码和统计编码。具体 手段包括：利用二维DCT减少图像的空间域冗余度；利用运动补偿预测减少图像 的时间域冗余度；利用视觉加权量化减少图像的“灰度域”冗余度；利用熵编码 来减少图像的“频率域”上统计特性方面的冗余度。 但由于当时计算机运算速度 的限制，第一代编解码技术的压缩率并不是很高。另外，由于当时互联网并没有 很大的发展，故当时很少有针对网络传输的技术标准。进入上世纪九十年代后， 计算机技术和网络技术迅猛发展，对视频编解码技术的要求越来越高，并成立了 多个相关的国
15、际组织，如活动图像专家组（Moving Picture Experts Group） 。自此， 大量相关技术标准出现。如图1-1所示。 图1-1 视频编码技术历史发展图 H.264 中基于帧内编码的适应性帧内预测算法 2 从图1-1中，我们可以看出，在视频编解码领域，主要有两种技术标准。由活 动图像专家组领导的MPEG系列和由国际电传视讯联盟领导的H.26X系列。前者 偏重于对图像的编解码压缩过程，而后者更偏重于网络传输过程2。 1.2 基本原理 视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息 可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉 （去除数据
16、之间的相关性） ，压缩技术包含帧内(Intra)图像数据压缩技术、帧间 (Inter)图像数据压缩技术和熵编码压缩技术3。基本流程如图1-2所示。 图1-2 视频编解码原理图 1.2.1 去时域冗余信息 时间冗余是序列图像(电视图像、动画)和语音数据中所经常包含的冗余。图 像序列中的两幅相邻的图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关性，这 反映为时间冗余。同理，在语言中，由于人在说话时发音的音频是一连续的渐变 过程，而不是一个完全的在时间上独立的过程，因而存在时间冗余。使用帧间编 码技术可以较好的除时域冗余信息4，它包括以下三部分： 运动补偿。运动补偿是通过先前的局部图像来预测、补偿当前的局部图 像，它是减少帧序
