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1、M p e 9 2 到H 2 6 4 视频转码中整数D C T 预测块的快速合成算法孙晓明陶品杨士强清华大学计算机系，北京，1 0 0 0 8 4摘要：与M p e 9 2 相比，H 2 6 4 对于带宽的节省是全面向其转向的一大动力，这促使了很多关于H2 6 4 的研究。在本文中我们提出了两个关于M p e 9 2 到H2 6 4 D C T 域内转码的优化算法。第一个优化算法可在整数D C T 域内从4 个相邻的整数D C T 块中合成出与其相交的一个预测参考块用于运动补偿；第二个优化算法进一步解决了需要插值的预测参考块的提取。这两个优化算法均只用到少量的1 卵“ A t - 和移住运算，
2、对于M p e 9 2 到H2 6 4 的D C T 域转码器设计将是非常有用的。关键字：M p e 醴；H2 6 4 ；视频转码；优化算法；整数D C T 域1 介绍经过T 工作组的多年努力，H 2 6 4 A V C 作为M p e 9 4 标准的第| 部分终于得以被确定为一套新的视频压缩编码方案的国际标准。与之前的标准相比，H 2 6 4 展现出了更为出色的编码效率并提供了更强的纠错性能。与使用M p e 9 2 标准编码的视频比较，H2 6 4 只需 要大约1 3 到1 2 的码率即可提供在视觉上效果相当的视频图像。由此可见，虽然H 2 6 4标准在提高视频压缩比的同时大大增加了视频编
3、码的计算复杂性，但其在实际应用中对有限带宽和存储空间的节省将是促使工业界向H2 6 4 标准全面转移的一大动力。考虑到向H 2 6 4 的转移不可能一蹴而就，并且为了将目前非常丰富的M p e 9 2 编码的资源转换成为H 2 6 4 编码的资源，即需要一套有效的M p e 9 2 到H2 6 4 的视频转码方案。在本文中，我们将主要讨论两个在M p e 9 2 到H2 6 4 转码器设计中可能用到的优化算法。 后面的文章将按照如下方式组织：第二部分将对我们感兴趣的D C T 域的转码器架构进行一下简要的说明；两个优化算法的细节部分将在第三和第四部分讨论；最后在第五部分给山相应的结论。2 M
4、p e 9 2 到H 2 6 4 视频转码架构视频转码最直观的方法是构造一个级联式的转码器，这种转码器由一个具各完整功能的源码流的解码器和一个具备完整功能的目的码流的编码器组成，输入的源视频码流由解码器完全解码至像素域，之后在像素域中进行一定的处理，再由编码器将图像编码为目的资助项日：国家8 6 3 计划2 0 0 4 A A I Z 2 3 0 0联系作者：孙晓明一s u n x m 0 2 m a i l s t s i n l ； L u ae d uc n2 7 0第一部分第十四届全国多媒体技术学术会议码流。很明显这种方案会带来大量的计算，不适用于实时的转码。考虑到目前各种视频编码标准
5、中架构的相似性，通过利用源码流中的有用的信息可以降低转码器设计中的计算复杂度。图1 中给出了个典型的D C T 域中M p e 9 2 到H 2 6 4 视频转码器的结构框图。图1D C T 域转码器框架我们以P 图像为例对图1 中所示的转码步骤进行筒荦介绍。在经过M p e 9 2 的V L D 变长解码和Q1 反量化后，D C T 系数被恢复到M C D C T 域( 运动补偿D C T 域，即D C T 域中的图像残差系数) 。由于在M C 。D C T 域中直接进行转码会造成P 图像中的错误积累“。，所以这些系数需通过反向的运动补偿变换到D C T 域中。H 2 6 4 中采用了整数D
6、 C T 变换，与之前很多视频编码标准采用的传统D C T 变换不同，如M p e g 系列和H2 6 3 等。所以需要 解决两种不同的D C T 域之间的转化问题，我们称之为D C Tt r a n s l a t i o n 。X i n 在他的文章中提出了一种算法来在传统的D C T 域和整数D C T 域之间变换，避免了将D C T 系数解码到像素域再变换到整数D C T 域系数，并且提出了一种快速算法来简化汁算 1 0 J 。在作完D C T 域之间的转化之后，利用源码流中的运动向量信息和之前已经转码并重新生成的参考图像在整数D C T 域中作运动补偿运算。生成的新的残差域的D C
7、T 系数将被重新量化。因为量化会引起图像的失真，在H 2 6 4 的量化过程之后需要重建参考图像，重建的参考图像与播放时在解码器中的参考图像相一致。作运动补偿运算首先要获得预测参考块。在像素域中预测参考块很容易获得但是在D C T 域中就比较麻烦。由于运动向量通常不能与D C T 域中的块划分对齐，所以期望的预测参考块经常与4 个块划分相交。在像素域中，我们通过筒草地重新组合像素点就可以获得预测参考块。但是在D C T 域中，由于每个系数不再是简单的位置像素值，而代表着频率信息，所以我们不能再通过重新组合的办法获得预测参考块。这时D C T 域预测参考块必须从与其相交的D C T 块中合成。因
8、此，C h a n g 2 J 提出了D C T 域中预测参考块的合成算 法。但是目前仍然缺少一种可以在整数D C T 域中操作的算法，我们提出，一个可以在整数D C T 域中合成整数D C T 预测参考块的算法，并且更进一步地找出了一种快速算法，只需要使用少量的加法和位移运算。我们将在第三部分中对此算法进行讨论。另外，由于M p e 9 2 支持半像素精度的运动向量，所以对于非整数的运动向量我们提出了一个在D C T 域插值的算法。这个算法将在第四部分L 讨论。由于H 2 6 4 将整数D C T 变换中的尺度变换与量化和反量化过程结合，所以在量化前 的整数D C T 域和量化后的整数D C
9、 T 域之间存在尺度上的差异。为了重建D C T 域中的参多媒体信号处理2 7 1考图像，必须将运动补偿运算的两个输入矩阵调整为相同的尺度。3 整数D C T 域中预测参考块的合成如图2 中所示，在通常也是最一般的情况下，期望的预测参考块与参考图像中四个原始的块划分相交。假设置。到B a 是参考图像当中4 个原始的像素域块划分，A 是与B o 到B 3 相交的像素域的预测参考块。令山块在其左上角的位霞包含A 与B o 的相交部分的像素，A o可以按照如下的方式表示：文= ：I h BF h 0 岛6 3 ，w 3 6岛一 0也一30i0- 6 330000卜iB 1，jB 2B 3( 1 )
10、图2 预测参考块A 与参考图像中图预测参考块与参考图像中 4 个原始的块B n 到玛划分相交其中F 标h 和w 分别代表相交区域的高度和宽度，以像素个数表不。 和j w 分别表不大小为h h 和w 。w 的单位矩阵。类似地有： 4 = 矧置融0 ”4 = 匕旷ro 0 42 ho L ，。o J“小0 。O o l 占, i O o1 4 L oi 1小。o ”J于是 爿= 4 + A l + A 2 + 一3( 3 )令巩= I ：台l ，并且础一“到酽“为与风到历相对应的且是经过量化和反量化过 g 之后的整数D C T 域系数块。定义q =C1111 2111 21l11 2 11111
11、2ll211 1 l 五11一l一2一l12一l为正向整数D C T 变换矩阵为反向整数D C T 变挟矩阵。将其代入( 3 ) 式，注意到舻“到占 m r 已被反量化过程放大了6 4 倍1 ，得到：6 4 A ：D , t c T B i n td n c ? 醵+ D F j B “cc D 4 。+ D j # t T n l i n t “c t 战+ D 1h c s ；o t4 f c t D 4 一( 4 )；! !墨二塑坌兰璺星全璺查堡竺垫查兰垄室望用正向C ，变换矩阵将A 变换到D C T 域中的A i “：6 4 A5 “= C r 6 4 A C ；,= C f # l
12、B 喾。“l C i D ：+ D j B 一“t C i D 4 。+ 珥。口B ? q 珥+ 珥。口蟛。C 。见，) c ；= c f D h 吼W i “ c i D ：c ；+ C f D h 口【叫“ C I D 4 。c ；+ c ，D 。r 。c j 曰“】e D ，T c ；+ C t 眩 口【曰严“ C i D 4 一。C ，F( 5 )令日。= C I 仇口，= c ，珥q ，式( 5 ) 可以改写为： 6 4 A 吣。= H h 武“H ：Hh 蹿“t w l 。+ w 。蚪“H ：+ w 4h 酵“坝。= 日 ( 丑占。抽日：+ 嚣i “如崆。) + 暇 ( 曰# 出日
13、：+ 丑r 如峨T ，)( 6 )其中K =1122ll1一l1一三 2 2 11 1 2l一1 2111二2 - 2 21l 一 2l 2H 2=2 一二0321o! 之l二一32二03 21o一! 一21二3H3峨2二丑一】2一】2 三4 2l 2 23 21 21 23 2l 一二一3 - 4从以上的结果可以看出矩阵皿和的形式相对简单，乘法和除法可以用移位操作代 替，但是飓，玛，和玎0 不太容易处理。为了在矩降运算中避免乘法，我们进步为 矩阵凰，胁， 吃和H 找到了一种快速算法。以捣为例，像我们之前定义的那样：H 2 = C D 2 c ；1( 7 )将D 2 分解：嘎将( 8 ) 式代
14、入( 7 ) 式OO000OO010010000000000O0lO000000上OOO0000OO O010000碰+ 硝( 8 )川川引引刊纠刊叫叫。2，2322I v 多媒体信号处理2 7 3H 2 = c f t D ：十D n c 7 = C r D # j + c f D X jl一三 2211 一三 21 一1 21l_ 2211一ll+1 11 一一1l一11一!一11 - 1 1- 222l( 9 )由于矩阵乘法H A 可以看作是对矩阵A 的行进行操作，我们以其中的- - N 元素为例令B = H ，一12= 1“2一l1一1 21一1 2b l屯岛良口l口2qn dc ，o
15、 ；c 7 + o 硝口 爿= c ，叫口一+ C r D ；C T A11221111q2口3吼+1 1l 一1111一!一111三- 22 21d l吒qa 4令几个临时变量w l = a l ( a 2 1 ) 一a 3 + ，w 2 = l 一口2 + a 3 一( a 4 1 ) 如到6 d 可以通过下式得到：b t = w 1 + w 2 ，b 2 = ( w l 1 ，t 2 = a l a 2 1 一a 3 + a 4可以得到6 l = t l 1 + t 26 2 = 6 1 + + t 26 3 = t 2n = t 2 一1l21一1 2一l12212 7 6第一部分第十四届全国多媒体技术学术会议所以当A 为4 x 4 矩阵时此运算过程共需4 0 个加法和1 2 个移位操作。同理对了氆5 ，当A 为4 x 4 矩阵时北运算过程共需5 2 个加法和2 0 个移位操作。与此 类似，我们还可以得到对于啊j 需要4 0 个加法和1 6 个移位操作，对于5 需要5 2 个加法和2 4 个移位操作。5 结论在本文中我们提出了两个对于M p e 9 2 到H 2 6 4D C T 域转码器设计中可能用到的优化算法，并推导了H2 6 4 中量化前和反量化后的整数D C T 域间的尺度差异。第一个算法口_ 以在整数D C T 域中从4 个整数D C T 块
