H.264視頻編碼多參考幀抗誤碼性能的研究

王瑩++王華

摘 要

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。本文針對H.264視頻的編碼與解碼的性能與效率展開研究，采用兩種不同格式的標準圖像序列，選擇多參考幀進行運動預(yù)測和運動補償，分別在編碼端和解碼端進行仿真測試，比較各自的信噪比及壓縮碼率，從而為我們在有限資源的前提下，為解碼端的抗誤碼性能與編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間做出合理的判斷和權(quán)衡。

【關(guān)鍵詞】H.264 視頻編碼 多參考幀 性能

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。

由于H.264優(yōu)越性能是以計算復(fù)雜度的增加為代價的，因此針對解決資源有限、解碼端的抗誤碼性能、編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間關(guān)系問題成為H.264應(yīng)用研究的一項重要內(nèi)容。

1 H.264視頻編碼

H.264是國際化標準組織JVT和MPEG聯(lián)合制定的一套最新的視頻壓縮標準。H.264視頻編解碼器是由幀內(nèi)預(yù)測、運動估計、運動補償、離散余弦變換、量化、塊濾波、重排序和熵編碼等功能單元組成的，提高了編碼效率和圖像質(zhì)量，具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴重的信道中的視頻傳輸。

在編碼一個視頻序列的時候，首先，讀入第一幀，將其當作I幀，進行幀內(nèi)編碼，這樣，無須用其它幀來對此幀進行預(yù)測。這樣，要對關(guān)鍵幀，即進行幀內(nèi)預(yù)測編碼的幀進行分析，以確定采取何種幀內(nèi)預(yù)測方式，來消除當前幀內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余信息。接下來，進行離散余弦變換和量化，然后采用Z形掃描將二維的冗余數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)成一維的數(shù)列，最后，采用CAVLC和CABAC方法來進行熵編碼。

隨后，將接下來讀入的幀設(shè)定為P幀，P幀不作幀內(nèi)預(yù)測，而是進行幀間預(yù)測，所以需要用P幀的前一幀來對其進行預(yù)測，稱之為幀間預(yù)測。幀間預(yù)測能很大程度的消除幀與幀在時間上的冗余信息，主要由運動估計、運動補償組成，做完運動估計后，同樣的，對冗余的數(shù)據(jù)塊進行離散余弦變換、量化、Z形掃描和熵編碼。同時，在做幀間預(yù)測的時候，需要用當前幀的前一幀來作為參考幀，所以在編碼完一個幀的同時，對其進行解碼，形成重構(gòu)幀，此幀用來對下一幀進行預(yù)測。由于重構(gòu)幀中的圖像的邊緣部分噪聲較多，容易產(chǎn)生預(yù)測誤差。所以，H.264中引入了塊濾波技術(shù)，濾除噪聲信號，最大程度的恢復(fù)原始圖像的效果。

在H.264視頻編碼標準中的抗誤碼性能主要有5個特性：

（1）多參考幀（Multiple reference fra- mes）；（2）SP/SI幀（SP/SI frames）；（3）條結(jié)構(gòu)編碼（Slice structured coding）；（4）數(shù)據(jù)分割（Data partitioning）；（5）幀內(nèi)編碼幀或幀內(nèi)編碼塊的更新（Intra frame or intra micro-block updates）。這里主要研究多參考幀對抗誤碼性能的影響。

2 多參考幀

編碼圖像分成三種類型：I幀、P幀和B幀。I幀獨立編碼，不依賴于前面編碼的圖像數(shù)據(jù)，利用視頻圖像的空間相關(guān)性進行壓縮編碼，也稱為幀內(nèi)編碼幀。P幀利用先前編碼的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)測，也稱為幀間編碼幀，或預(yù)測幀。B幀參考先前編碼的I、P幀和隨后的一幀進行雙向預(yù)測，P、B幀均利用圖像的時域相關(guān)性進行預(yù)測編碼。用來對編碼圖像進行預(yù)測的圖像稱為參考幀。

H.264協(xié)議中允許在運動預(yù)測中將當前幀之前的幾幀中的任一幀選定為參考幀。在使用這種多參考幀的模式情況下，對某一個MB進行運動預(yù)測時，編碼器會從過去的幀中選定一幀或幾幀作為參考幀，以達到最佳的預(yù)測效果。圖1給出了在編碼端多參考幀的示意圖，當前幀第n幀中的三個塊分別由之前的第n-1幀、第n-3幀、第n-4幀預(yù)測得到。

3 仿真測試

3.1 仿真測試軟件及參數(shù)設(shè)定

仿真測試軟件是JVT的聯(lián)合模型（Joint Model）JM73，其仿真測試環(huán)境和編碼參數(shù)設(shè)定如下：使用主層（Main Profile），采用Hadamard變換； CACBC熵解碼；分別使用1-5個參考幀；運行率失真優(yōu)化；I幀和P幀的量化參數(shù)相同且為28，B幀的量化參數(shù)為30；最大搜索窗口為16；搜索范圍沒有限制；使用數(shù)據(jù)分割。然后選取具有不同運動和空間信息的QCIF及CIF典型測試序列，分別使用不同的參考幀數(shù)目在編碼端選擇與解碼端進行測試。其測試序列選取見表1。

3.2 編碼端測試

通常來說，評定一個視頻系編碼系統(tǒng)的優(yōu)劣主要性能指標有：編碼比特率、編碼時間和編碼信噪比。它們分別從壓縮比、編碼效率和圖像失真度三個不同側(cè)面反映一個視頻編碼系統(tǒng)的綜合性能。

在30Hz的頻率下，對兩種不同格式，不同幀長的4個圖像序列進行編碼，通過在編碼端參考幀對序列IPP與IBP進行編碼，得到不同的編碼速率性能曲線如圖2所示，平均亮度（色度）信噪比性能曲線如圖3所示。

從圖2中可以看出，無論哪種格式的圖像序列，參考幀數(shù)越多，圖像壓縮的比特率越少；同樣運動比較劇烈的圖像序列的比特率要比運動緩慢的圖像序列的比特率大，這是因為選取的參考幀數(shù)多了，圖像的相關(guān)性也就越強了，降低了時間和空間上的冗余。

從圖3中可以看出，不論何種格式的圖像序列，選取的參考幀數(shù)越多，圖像的亮度信噪比越大，而且運動比較劇烈的圖像序列的亮度信噪比要比運動緩慢的圖像序列的信噪比小，但是圖像編碼時間就變得越長，這是因為隨著參考幀數(shù)的增加，使得運動估值變得越來越準確，提高了運動補償?shù)木幋a效率。

3.3 解碼端測試

編碼端對圖像序列進行編碼后，碼流打包，經(jīng)過不同丟包的情況，在信道上傳輸，解碼端恢復(fù)圖像序列。

這里給出了container序列與tempete序列的測試結(jié)果，見表2。

其中：選擇模式3表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為3.3%；選擇模式5表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為5.6%。

對QCIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖4所示；對CIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖5所示。

由圖4和圖5的主觀圖像中可以看出，編碼端參考幀數(shù)選取的越多，碼流打包后，解碼端獲得的圖像質(zhì)量越好，原因同解碼端一樣，都是因為運動估值較為準確，運動補償?shù)男实玫教岣叩慕Y(jié)果。

4 結(jié)論

由于H.264編碼端的計算復(fù)雜度和編碼時間的最重要瓶頸在于運動估值和運動補償。采用多參考幀運動補償，擴大的運動搜索范圍對編碼效率只有有限的提高，在沒有引入快速搜索方法時，計算復(fù)雜度和編碼時間與參考幀的數(shù)目成正比，并和運動搜索范圍的平方成正比；采用雙向預(yù)測技術(shù)的圖像在相同的PSNR值下，碼率只是采用前向預(yù)測技術(shù)圖像的1/2至1/10甚至更低，但同樣成倍提升了計算復(fù)雜度和存儲容量。因此，參考幀數(shù)越多并不一定就越好。考慮到實際應(yīng)用，結(jié)合仿真測試的結(jié)果，可以得出：選擇3個參考幀比較理想。首先從編碼的時間上來看，介于1～5參考幀的編碼時間之間；其次從信噪比上看，3參考幀的信噪比接近于4或5參考幀，具有比較好的抗誤碼性；最后從壓縮的比特率來看，3參考幀的比特率明顯低于1或2參考幀，同時又接近與4或5參考幀的比特率，說明3參考幀的運動估值比較準確的，運動補償?shù)木幋a效率還是比較高的。

參考文獻

[1]盧官明.移動流媒體技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2010.

[2]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC（第2版）[M].北京：人民郵電出版社.2009.

[3]卓力，張菁，李曉光.圖形圖像新技術(shù)系列：新一代高效視頻編碼技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.2013.

作者單位

北京電子科技職業(yè)學(xué)院通信系 北京市 100015endprint

摘 要

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。本文針對H.264視頻的編碼與解碼的性能與效率展開研究，采用兩種不同格式的標準圖像序列，選擇多參考幀進行運動預(yù)測和運動補償，分別在編碼端和解碼端進行仿真測試，比較各自的信噪比及壓縮碼率，從而為我們在有限資源的前提下，為解碼端的抗誤碼性能與編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間做出合理的判斷和權(quán)衡。

【關(guān)鍵詞】H.264 視頻編碼 多參考幀 性能

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。

由于H.264優(yōu)越性能是以計算復(fù)雜度的增加為代價的，因此針對解決資源有限、解碼端的抗誤碼性能、編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間關(guān)系問題成為H.264應(yīng)用研究的一項重要內(nèi)容。

1 H.264視頻編碼

H.264是國際化標準組織JVT和MPEG聯(lián)合制定的一套最新的視頻壓縮標準。H.264視頻編解碼器是由幀內(nèi)預(yù)測、運動估計、運動補償、離散余弦變換、量化、塊濾波、重排序和熵編碼等功能單元組成的，提高了編碼效率和圖像質(zhì)量，具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴重的信道中的視頻傳輸。

在編碼一個視頻序列的時候，首先，讀入第一幀，將其當作I幀，進行幀內(nèi)編碼，這樣，無須用其它幀來對此幀進行預(yù)測。這樣，要對關(guān)鍵幀，即進行幀內(nèi)預(yù)測編碼的幀進行分析，以確定采取何種幀內(nèi)預(yù)測方式，來消除當前幀內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余信息。接下來，進行離散余弦變換和量化，然后采用Z形掃描將二維的冗余數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)成一維的數(shù)列，最后，采用CAVLC和CABAC方法來進行熵編碼。

隨后，將接下來讀入的幀設(shè)定為P幀，P幀不作幀內(nèi)預(yù)測，而是進行幀間預(yù)測，所以需要用P幀的前一幀來對其進行預(yù)測，稱之為幀間預(yù)測。幀間預(yù)測能很大程度的消除幀與幀在時間上的冗余信息，主要由運動估計、運動補償組成，做完運動估計后，同樣的，對冗余的數(shù)據(jù)塊進行離散余弦變換、量化、Z形掃描和熵編碼。同時，在做幀間預(yù)測的時候，需要用當前幀的前一幀來作為參考幀，所以在編碼完一個幀的同時，對其進行解碼，形成重構(gòu)幀，此幀用來對下一幀進行預(yù)測。由于重構(gòu)幀中的圖像的邊緣部分噪聲較多，容易產(chǎn)生預(yù)測誤差。所以，H.264中引入了塊濾波技術(shù)，濾除噪聲信號，最大程度的恢復(fù)原始圖像的效果。

在H.264視頻編碼標準中的抗誤碼性能主要有5個特性：

（1）多參考幀（Multiple reference fra- mes）；（2）SP/SI幀（SP/SI frames）；（3）條結(jié)構(gòu)編碼（Slice structured coding）；（4）數(shù)據(jù)分割（Data partitioning）；（5）幀內(nèi)編碼幀或幀內(nèi)編碼塊的更新（Intra frame or intra micro-block updates）。這里主要研究多參考幀對抗誤碼性能的影響。

2 多參考幀

編碼圖像分成三種類型：I幀、P幀和B幀。I幀獨立編碼，不依賴于前面編碼的圖像數(shù)據(jù)，利用視頻圖像的空間相關(guān)性進行壓縮編碼，也稱為幀內(nèi)編碼幀。P幀利用先前編碼的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)測，也稱為幀間編碼幀，或預(yù)測幀。B幀參考先前編碼的I、P幀和隨后的一幀進行雙向預(yù)測，P、B幀均利用圖像的時域相關(guān)性進行預(yù)測編碼。用來對編碼圖像進行預(yù)測的圖像稱為參考幀。

H.264協(xié)議中允許在運動預(yù)測中將當前幀之前的幾幀中的任一幀選定為參考幀。在使用這種多參考幀的模式情況下，對某一個MB進行運動預(yù)測時，編碼器會從過去的幀中選定一幀或幾幀作為參考幀，以達到最佳的預(yù)測效果。圖1給出了在編碼端多參考幀的示意圖，當前幀第n幀中的三個塊分別由之前的第n-1幀、第n-3幀、第n-4幀預(yù)測得到。

3 仿真測試

3.1 仿真測試軟件及參數(shù)設(shè)定

仿真測試軟件是JVT的聯(lián)合模型（Joint Model）JM73，其仿真測試環(huán)境和編碼參數(shù)設(shè)定如下：使用主層（Main Profile），采用Hadamard變換； CACBC熵解碼；分別使用1-5個參考幀；運行率失真優(yōu)化；I幀和P幀的量化參數(shù)相同且為28，B幀的量化參數(shù)為30；最大搜索窗口為16；搜索范圍沒有限制；使用數(shù)據(jù)分割。然后選取具有不同運動和空間信息的QCIF及CIF典型測試序列，分別使用不同的參考幀數(shù)目在編碼端選擇與解碼端進行測試。其測試序列選取見表1。

3.2 編碼端測試

通常來說，評定一個視頻系編碼系統(tǒng)的優(yōu)劣主要性能指標有：編碼比特率、編碼時間和編碼信噪比。它們分別從壓縮比、編碼效率和圖像失真度三個不同側(cè)面反映一個視頻編碼系統(tǒng)的綜合性能。

在30Hz的頻率下，對兩種不同格式，不同幀長的4個圖像序列進行編碼，通過在編碼端參考幀對序列IPP與IBP進行編碼，得到不同的編碼速率性能曲線如圖2所示，平均亮度（色度）信噪比性能曲線如圖3所示。

從圖2中可以看出，無論哪種格式的圖像序列，參考幀數(shù)越多，圖像壓縮的比特率越少；同樣運動比較劇烈的圖像序列的比特率要比運動緩慢的圖像序列的比特率大，這是因為選取的參考幀數(shù)多了，圖像的相關(guān)性也就越強了，降低了時間和空間上的冗余。

從圖3中可以看出，不論何種格式的圖像序列，選取的參考幀數(shù)越多，圖像的亮度信噪比越大，而且運動比較劇烈的圖像序列的亮度信噪比要比運動緩慢的圖像序列的信噪比小，但是圖像編碼時間就變得越長，這是因為隨著參考幀數(shù)的增加，使得運動估值變得越來越準確，提高了運動補償?shù)木幋a效率。

3.3 解碼端測試

編碼端對圖像序列進行編碼后，碼流打包，經(jīng)過不同丟包的情況，在信道上傳輸，解碼端恢復(fù)圖像序列。

這里給出了container序列與tempete序列的測試結(jié)果，見表2。

其中：選擇模式3表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為3.3%；選擇模式5表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為5.6%。

對QCIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖4所示；對CIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖5所示。

由圖4和圖5的主觀圖像中可以看出，編碼端參考幀數(shù)選取的越多，碼流打包后，解碼端獲得的圖像質(zhì)量越好，原因同解碼端一樣，都是因為運動估值較為準確，運動補償?shù)男实玫教岣叩慕Y(jié)果。

4 結(jié)論

由于H.264編碼端的計算復(fù)雜度和編碼時間的最重要瓶頸在于運動估值和運動補償。采用多參考幀運動補償，擴大的運動搜索范圍對編碼效率只有有限的提高，在沒有引入快速搜索方法時，計算復(fù)雜度和編碼時間與參考幀的數(shù)目成正比，并和運動搜索范圍的平方成正比；采用雙向預(yù)測技術(shù)的圖像在相同的PSNR值下，碼率只是采用前向預(yù)測技術(shù)圖像的1/2至1/10甚至更低，但同樣成倍提升了計算復(fù)雜度和存儲容量。因此，參考幀數(shù)越多并不一定就越好。考慮到實際應(yīng)用，結(jié)合仿真測試的結(jié)果，可以得出：選擇3個參考幀比較理想。首先從編碼的時間上來看，介于1～5參考幀的編碼時間之間；其次從信噪比上看，3參考幀的信噪比接近于4或5參考幀，具有比較好的抗誤碼性；最后從壓縮的比特率來看，3參考幀的比特率明顯低于1或2參考幀，同時又接近與4或5參考幀的比特率，說明3參考幀的運動估值比較準確的，運動補償?shù)木幋a效率還是比較高的。

參考文獻

[1]盧官明.移動流媒體技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2010.

[2]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC（第2版）[M].北京：人民郵電出版社.2009.

[3]卓力，張菁，李曉光.圖形圖像新技術(shù)系列：新一代高效視頻編碼技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.2013.

作者單位

北京電子科技職業(yè)學(xué)院通信系 北京市 100015endprint

摘 要

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。本文針對H.264視頻的編碼與解碼的性能與效率展開研究，采用兩種不同格式的標準圖像序列，選擇多參考幀進行運動預(yù)測和運動補償，分別在編碼端和解碼端進行仿真測試，比較各自的信噪比及壓縮碼率，從而為我們在有限資源的前提下，為解碼端的抗誤碼性能與編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間做出合理的判斷和權(quán)衡。

【關(guān)鍵詞】H.264 視頻編碼 多參考幀 性能

數(shù)字視頻編碼技術(shù)是數(shù)字電視、視頻會議/遠程監(jiān)控、視頻點播、遍入千家萬戶的VCD/DVD，以及新一代移動通信等應(yīng)用核心技術(shù)。H.264作為最新的視頻編碼標準，能夠在盡可能低的碼率（或存儲容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。但隨著市場對圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問題也日益顯現(xiàn)出來。

由于H.264優(yōu)越性能是以計算復(fù)雜度的增加為代價的，因此針對解決資源有限、解碼端的抗誤碼性能、編碼端參考幀的數(shù)量、編碼效率以及計算復(fù)雜度之間關(guān)系問題成為H.264應(yīng)用研究的一項重要內(nèi)容。

1 H.264視頻編碼

H.264是國際化標準組織JVT和MPEG聯(lián)合制定的一套最新的視頻壓縮標準。H.264視頻編解碼器是由幀內(nèi)預(yù)測、運動估計、運動補償、離散余弦變換、量化、塊濾波、重排序和熵編碼等功能單元組成的，提高了編碼效率和圖像質(zhì)量，具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴重的信道中的視頻傳輸。

在編碼一個視頻序列的時候，首先，讀入第一幀，將其當作I幀，進行幀內(nèi)編碼，這樣，無須用其它幀來對此幀進行預(yù)測。這樣，要對關(guān)鍵幀，即進行幀內(nèi)預(yù)測編碼的幀進行分析，以確定采取何種幀內(nèi)預(yù)測方式，來消除當前幀內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余信息。接下來，進行離散余弦變換和量化，然后采用Z形掃描將二維的冗余數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)成一維的數(shù)列，最后，采用CAVLC和CABAC方法來進行熵編碼。

隨后，將接下來讀入的幀設(shè)定為P幀，P幀不作幀內(nèi)預(yù)測，而是進行幀間預(yù)測，所以需要用P幀的前一幀來對其進行預(yù)測，稱之為幀間預(yù)測。幀間預(yù)測能很大程度的消除幀與幀在時間上的冗余信息，主要由運動估計、運動補償組成，做完運動估計后，同樣的，對冗余的數(shù)據(jù)塊進行離散余弦變換、量化、Z形掃描和熵編碼。同時，在做幀間預(yù)測的時候，需要用當前幀的前一幀來作為參考幀，所以在編碼完一個幀的同時，對其進行解碼，形成重構(gòu)幀，此幀用來對下一幀進行預(yù)測。由于重構(gòu)幀中的圖像的邊緣部分噪聲較多，容易產(chǎn)生預(yù)測誤差。所以，H.264中引入了塊濾波技術(shù)，濾除噪聲信號，最大程度的恢復(fù)原始圖像的效果。

在H.264視頻編碼標準中的抗誤碼性能主要有5個特性：

（1）多參考幀（Multiple reference fra- mes）；（2）SP/SI幀（SP/SI frames）；（3）條結(jié)構(gòu)編碼（Slice structured coding）；（4）數(shù)據(jù)分割（Data partitioning）；（5）幀內(nèi)編碼幀或幀內(nèi)編碼塊的更新（Intra frame or intra micro-block updates）。這里主要研究多參考幀對抗誤碼性能的影響。

2 多參考幀

編碼圖像分成三種類型：I幀、P幀和B幀。I幀獨立編碼，不依賴于前面編碼的圖像數(shù)據(jù)，利用視頻圖像的空間相關(guān)性進行壓縮編碼，也稱為幀內(nèi)編碼幀。P幀利用先前編碼的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)測，也稱為幀間編碼幀，或預(yù)測幀。B幀參考先前編碼的I、P幀和隨后的一幀進行雙向預(yù)測，P、B幀均利用圖像的時域相關(guān)性進行預(yù)測編碼。用來對編碼圖像進行預(yù)測的圖像稱為參考幀。

H.264協(xié)議中允許在運動預(yù)測中將當前幀之前的幾幀中的任一幀選定為參考幀。在使用這種多參考幀的模式情況下，對某一個MB進行運動預(yù)測時，編碼器會從過去的幀中選定一幀或幾幀作為參考幀，以達到最佳的預(yù)測效果。圖1給出了在編碼端多參考幀的示意圖，當前幀第n幀中的三個塊分別由之前的第n-1幀、第n-3幀、第n-4幀預(yù)測得到。

3 仿真測試

3.1 仿真測試軟件及參數(shù)設(shè)定

仿真測試軟件是JVT的聯(lián)合模型（Joint Model）JM73，其仿真測試環(huán)境和編碼參數(shù)設(shè)定如下：使用主層（Main Profile），采用Hadamard變換； CACBC熵解碼；分別使用1-5個參考幀；運行率失真優(yōu)化；I幀和P幀的量化參數(shù)相同且為28，B幀的量化參數(shù)為30；最大搜索窗口為16；搜索范圍沒有限制；使用數(shù)據(jù)分割。然后選取具有不同運動和空間信息的QCIF及CIF典型測試序列，分別使用不同的參考幀數(shù)目在編碼端選擇與解碼端進行測試。其測試序列選取見表1。

3.2 編碼端測試

通常來說，評定一個視頻系編碼系統(tǒng)的優(yōu)劣主要性能指標有：編碼比特率、編碼時間和編碼信噪比。它們分別從壓縮比、編碼效率和圖像失真度三個不同側(cè)面反映一個視頻編碼系統(tǒng)的綜合性能。

在30Hz的頻率下，對兩種不同格式，不同幀長的4個圖像序列進行編碼，通過在編碼端參考幀對序列IPP與IBP進行編碼，得到不同的編碼速率性能曲線如圖2所示，平均亮度（色度）信噪比性能曲線如圖3所示。

從圖2中可以看出，無論哪種格式的圖像序列，參考幀數(shù)越多，圖像壓縮的比特率越少；同樣運動比較劇烈的圖像序列的比特率要比運動緩慢的圖像序列的比特率大，這是因為選取的參考幀數(shù)多了，圖像的相關(guān)性也就越強了，降低了時間和空間上的冗余。

從圖3中可以看出，不論何種格式的圖像序列，選取的參考幀數(shù)越多，圖像的亮度信噪比越大，而且運動比較劇烈的圖像序列的亮度信噪比要比運動緩慢的圖像序列的信噪比小，但是圖像編碼時間就變得越長，這是因為隨著參考幀數(shù)的增加，使得運動估值變得越來越準確，提高了運動補償?shù)木幋a效率。

3.3 解碼端測試

編碼端對圖像序列進行編碼后，碼流打包，經(jīng)過不同丟包的情況，在信道上傳輸，解碼端恢復(fù)圖像序列。

這里給出了container序列與tempete序列的測試結(jié)果，見表2。

其中：選擇模式3表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為3.3%；選擇模式5表示被壓縮的圖像在信道上傳輸時，大約丟包率為5.6%。

對QCIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖4所示；對CIF格式的圖像序列在解碼端的主觀圖像如圖5所示。

由圖4和圖5的主觀圖像中可以看出，編碼端參考幀數(shù)選取的越多，碼流打包后，解碼端獲得的圖像質(zhì)量越好，原因同解碼端一樣，都是因為運動估值較為準確，運動補償?shù)男实玫教岣叩慕Y(jié)果。

4 結(jié)論

由于H.264編碼端的計算復(fù)雜度和編碼時間的最重要瓶頸在于運動估值和運動補償。采用多參考幀運動補償，擴大的運動搜索范圍對編碼效率只有有限的提高，在沒有引入快速搜索方法時，計算復(fù)雜度和編碼時間與參考幀的數(shù)目成正比，并和運動搜索范圍的平方成正比；采用雙向預(yù)測技術(shù)的圖像在相同的PSNR值下，碼率只是采用前向預(yù)測技術(shù)圖像的1/2至1/10甚至更低，但同樣成倍提升了計算復(fù)雜度和存儲容量。因此，參考幀數(shù)越多并不一定就越好。考慮到實際應(yīng)用，結(jié)合仿真測試的結(jié)果，可以得出：選擇3個參考幀比較理想。首先從編碼的時間上來看，介于1～5參考幀的編碼時間之間；其次從信噪比上看，3參考幀的信噪比接近于4或5參考幀，具有比較好的抗誤碼性；最后從壓縮的比特率來看，3參考幀的比特率明顯低于1或2參考幀，同時又接近與4或5參考幀的比特率，說明3參考幀的運動估值比較準確的，運動補償?shù)木幋a效率還是比較高的。

參考文獻

[1]盧官明.移動流媒體技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2010.

[2]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC（第2版）[M].北京：人民郵電出版社.2009.

[3]卓力，張菁，李曉光.圖形圖像新技術(shù)系列：新一代高效視頻編碼技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.2013.

作者單位

北京電子科技職業(yè)學(xué)院通信系 北京市 100015endprint