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1、合肥工业大学 硕士学位论文 H.264标准研究和算法优化 姓名：高静 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：金施群 2010-09 H.264 标准研究和算法优化 H.264 标准研究和算法优化 摘 要 摘 要 H.264/AVC 是目前先进的编码标准，这一标准可获得很高的编码效率，尤 其是在低码率方面比其它标准有明显提高，适合低宽带、高质量网络视频应用 的需要。为了更好得实现它在低码率高实时性应用系统中的实现，本文对其编 码算法进行了一定程度上的优化。 本文首先分析了 H.264 视频编码标准的基本原理和关键技术；详细分析 了目前已有的帧内预测和帧间预测方法、各自的优点和不
2、足之处。在帧内预测 方面，通过对44亮度块9种预测方向之间的相关性分析，在原有“遍寻”9种 预测方向的基础上，使用“间隔式”帧内预测方法，减少了需要预测的方向； 在帧间预测方面，通过对1616宏块7种分割方式的分析，找出宏块与宏块之间 的相关性，在原有“遍寻”8种分割方式的基础上，使用“邻近式”帧间预测方 法，减少了编码时间。本文就两种新算法的原理，流程，核心编码，残差编码 等进行了详细介绍。 最后在 H.264 参考软件模型JM86下，通过 VC+6.0 编译，对两种新算法 实现了仿真操作。通过对一系列典型视频序列数据的实验，得出重要参数指标， 优化后的算法与原算法相比，在视频图象质量和码率
3、接近的情况下，编码总时 间平均节省了30%左右，降低了算法的复杂度，提高了操作的时效性性。 关键词：关键词：H.264；视频压缩；帧内预测；帧间预测 H.264 Standard studying and algorithm optimization Abstract H.264/AVC is an advanced coding standard. This coding standard has high coding efficiency which is significantly increased in the low bit-rate compared with other st
4、andards, and is available for the low-bandwidth, high-quality network video applications. In order to facilitate the realization of H.264 in the low bit rate and real-time application system, in the papers, the coding algorithms is optimized to some extent. This paper first discusses the basic princ
5、iples and key technologies of H.264 video coding standard；then introduces the intra prediction and inter prediction method and analyses their strengths and weaknesses respectively. In intra prediction,by analying the correlation between the 9 prediction directions of 4 4 luminance block,based on the
6、 original searching out the 9 prediction directions, I use the interval-type intra prediction method to reduce the prediction direction. In inter prediction, by analying the correlation between the 8 segmentation approaches of 16 16 block, finding out the correlationg between macroblock and macroblo
7、ck, based on the original searching out the 8 segmentation approaches, I use new the nearest-style-type inter prediction method to reduce the prediction time. In this paper, the principle, processes, core coding, residual coding of two new algorithms, described in detail. The optimized algorithm is
8、realized in the H.264 reference software model JM86, compiled by VC+6.0. Experimenting with some typical video sequences proves that, compared to original algorithm, our optimized algorithm can save about 30% time and reduce the complexity of original scheme as well as enhance the real-time performa
9、nce of the encoder but has almost no changing in the reconstructed picture quality and bitrate. Keywords:H.264; video compression; intra prediction; inter prediction 插图清单 插图清单 图1.1 存在时间冗余的图像.2 图 1.2 存在大片连续区域的图像. 2 图1.3 存在一定纹理的图像2 图 1.4 人脸图像. 3 图 1.5 数据编码和解码流程图. . . 3 图 1.6 视频压缩标准演变时间轴.4 图 2.1 H.264
10、压缩系统结构框图7 图 2.2 H.264 可伸缩性编码结构示意图7 图 2.3 H.264 编码器.8 图 2.4 H.264 解码器.9 图 2.5 H.264 标准的档次划分示意图.10 图2.6 片的句法结构示意图.11 图 2.7 邻近像素间的相关性示意图12 图 2.8 预测编解码基本原理框图.13 图 2.9 多帧参考示意图.14 图 2.10 宏块的分割与亚分割.14 图 2.11 1616 亮度块模型.15 图 2.12 1/4 精度计算模型16 图 2.13 进行帧内预测编码图像对比17 图 2.14 帧内像素块模型.18 图 2.15 帧内预测方向示意图.18 图 2.1
11、6 44 亮度块帧内预测模式 0(垂直) .19 图 2.17 1616 亮度块帧内预测四种模式.20 图 3.1 QCIF 格式一帧图像.23 图 3.2 9 种预测模式下的绝对误差图23 图 3.3 相邻的 44 帧内预测编码块.24 图 3.4 帧内“间隔式”预测法示意图.25 图 3.5 帧内“间隔式”预测法判断流程图26 图 3.6 图像视频序列 akiyo.28 图 3.7 将JM86模型和视频测试序列植入开发环境29 图 3.8 执行编码操作后显示的结果.30 图 3.9 编码后得到的新文件.31 图 3.10 将 JM86 模型和已编码得到的 h264 植入开发环境32 图 3
12、.11 执行解码操作后显示的结果33 图 3.12 解码后得到的新文件.33 图 3.13 正在播放中的解压后视频.34 图 3.14 美国女士序列原算法编码后的结果显示.35 图 3.15 美国女士序列 “间隔式” 编码后的结.35 图 3.16 美国女士视频图像对比.36 图 3.17 新闻播报序列原算法编码后的结果显示.37 图 3.18 新闻播报序列“间隔式”编码后的结果显示.37 图 3.19 新闻播报视频图像对比.38 图 4.1 帧间“邻近式”预测法判断流程图.40 图4.2 一般编码流程图.43 图 4.3 Z 字形扫描走向图.45 图 4.4 变化和量化后的 44 系数块.45 图 4.5 航运船序列原算法编码后的结果显示.47 图 4.6 航运船序列“邻近式”算法编码后的结果显示.47 图 4.7 航运船视频图像对比.48 图 4.8 油画女郎序列原算法编码后的结果显示.49 图 4.9 油画女郎序列“邻近式”编码后的结果显示.49 图 4.10 优化女郎视频图像对比.50 表格清
