一種改進(jìn)的H.264分像素插值濾波算法

王 剛，陳賀新，陳綿書，劉媛媛，3，桑愛軍

(1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022;2.白城師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林白城137000;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，長春130118)

在混合視頻編碼技術(shù)中，編碼器的核心算法是幀間預(yù)測。利用幀間預(yù)測可去除視頻序列中時(shí)間域的冗余信息。它包括整像素運(yùn)動估計(jì)和分像素運(yùn)動估計(jì)。在運(yùn)動估計(jì)中，利用像素間的相關(guān)性進(jìn)行分像素值的內(nèi)插可提高運(yùn)動矢量估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而使運(yùn)動補(bǔ)償過程產(chǎn)生較小的殘差數(shù)據(jù)。目前，視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC［1－3］引入了1/4像素精度運(yùn)動估計(jì)技術(shù)提高運(yùn)動補(bǔ)償?shù)木龋ㄟ^6階濾波系數(shù)為(1，－5，20，20，－5，1)/32維納濾波器實(shí)現(xiàn)參考圖像的二分之一像素插值。四分之一像素插值采用了線性濾波器。實(shí)驗(yàn)證明，高精度的運(yùn)動補(bǔ)償能夠提高視頻編碼的壓縮效率，在提高了運(yùn)動預(yù)測性能的同時(shí)，也帶來了運(yùn)算量大和存儲操作頻繁等問題［1，3］。濾波器的階數(shù)決定了參考數(shù)據(jù)的讀入量，如何在保證預(yù)測準(zhǔn)確性的前提下，降低插值的空間復(fù)雜度是目前要研究的問題。針對此問題，本文提出了一種新的低復(fù)雜度、高效率分像素插值方法－4階濾波系數(shù)可變的整數(shù)化濾波方法。

1 H.264/AVC分像素插值原理

1.1 1/2像素插值算法

H.264/AVC定義了系數(shù)為(1，－5，20，20，－5，1)6階濾波器。圖1為6×6像素塊，‘M’到‘U’是整像素。

①整像素的水平、垂直插值濾波。

1/2像素b、aa、ss、ee、kk、dd、s、vv;h、cc、tt、bb、m、ff、pp和uu的樣點(diǎn)值通過對臨近的整像素位置樣點(diǎn)進(jìn)行水平、垂直方向6階濾波插值計(jì)算得到。b和h計(jì)算過程如下:

②1/2像素的水平、垂直插值濾波。

1/2像素j、ii、hh、jj、gg、mm、nn、qq、rr的樣點(diǎn)值通過對臨近的1/2像素進(jìn)行水平或垂直方向(二者得到的結(jié)果相等)6階濾波插值計(jì)算得到。j計(jì)算過程如下:

1.2 1/4像素插值算法

當(dāng)1/2像素得到后，1/4像素位置樣本值使用雙線性濾波插值得到。

①整像素、1/2像素的水平、垂直和對角線插值濾波。

1/4像素位置a、c，d、n，e、g、p和r上的值可通過在垂直、水平和對角線方向兩個(gè)最近的整像素和1/2像素使用線性插值得到。a、d和e計(jì)算過程如下:

②1/2像素水平、垂直插值濾波

1/4像素位置f、i、k和q上的值應(yīng)該通過在垂直、水平方向計(jì)算兩個(gè)最近1/2像素的平均值得到。f和i計(jì)算過程如下:

2 改進(jìn)分像素插值算法原理

2.1 改進(jìn)1/2像素插值算法

對于1/2像素插值算法的改進(jìn)，采用系數(shù)為(c0，c1，c2，c3)/8的雙線性濾波器，并滿足條件: c0，c1，c2，c3均為整數(shù);c0+c1+c2+c3=8。

①整像素的水平、垂直插值濾波。

圖1中，aa、b、s、dd、ee、kk，bb、h、m、cc、ff和pp處的1/2像素可通過對最近的水平、垂直方向整像素應(yīng)用4階濾波器計(jì)算得到。b和h計(jì)算過程:

②1/2像素水平、垂直插值濾波。

1/2像素ii、hh、jj、gg、j、mm、nn、qq和rr的樣點(diǎn)值通過對臨近的1/2像素進(jìn)行水平或垂直方向(二者得到的結(jié)果相等)4階濾波器計(jì)算得到。例如j計(jì)算過程:

2.2 改進(jìn)1/4像素插值算法

對于1/4像素插值算法的改進(jìn)，本文采用兩個(gè)4階系數(shù)為(a0，a1，a2，a3)/2n和(b0，b1，b2，b3)/2m的整數(shù)化濾波器F1和F2，滿足以下條件: a0，a1，a2，a3及b0，b1，b2，b3均為整數(shù);a0+a1+a2+a3=2n，b0+b1+b2+b3=2m，m=n≥4;a0=b3，a1=b2，a2=b1，a3=b0。

①整像素、1/2像素的水平、垂直和對角線插值濾波。

當(dāng)1/2像素得到后，圖1中，1/4像素位置a、c，d、n，e、g、p和r上的值可以通過對水平、垂直和對角線方向上兩個(gè)最接近的整像素和1/2像素位置使用濾波器F1和F2插值得到。整個(gè)計(jì)算過程如下:

②1/2像素水平、垂直插值濾波。

圖1中，1/4像素位置i、k，f、q上的值可以通過對水平、垂直方向上四個(gè)最接近的1/2像素位置使用濾波器F1和F2插值得到。計(jì)算過程如下:

本文給出了m=n=(4、5、6)時(shí)，濾波系數(shù)(a0，a1，a2，a3)和(b0，b1，b2，b3)的值，而對濾波系數(shù)(c0，c1，c2，c3)采用AVS標(biāo)準(zhǔn)中給出的值，具體值如下:

3 算法復(fù)雜度分析

文中從空間和計(jì)算復(fù)雜度角度對一個(gè)4×4的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行插值比較，表1列出了改進(jìn)算法與H.264插值方法的復(fù)雜度比較。從表1可知，使用H.264標(biāo)準(zhǔn)中6階濾波器需要9×9的參考數(shù)據(jù)量，而使用本文提出的4階濾波器需要7×7的參考數(shù)據(jù)量。H.264需要66/8行參考幀數(shù)據(jù)，而改進(jìn)算法需要54/8行參考幀數(shù)據(jù)，改進(jìn)算法可降低18%的空間復(fù)雜度。兩者的計(jì)算復(fù)雜度接近。

表1 改進(jìn)算法與H.264插值方法的復(fù)雜度比較Table 1 The compare in complexity between the improved algorithm and interpolation method of H.264

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果比較

把新算法嵌入到H.264的標(biāo)準(zhǔn)參考軟件JM12.1［5－7］進(jìn)行仿真比較。采用了4個(gè)視頻序列Container、Foreman、News和Tenis。其中每個(gè)序列由30個(gè)CIF幀組成，各編碼100幀，運(yùn)動估計(jì)采用全搜索，搜索半徑為16，選用5個(gè)參考幀，熵編碼采用CABAC，編碼結(jié)構(gòu)為IBBPBBPBBP。量化參數(shù)QP分別取16、24、32和40。

改進(jìn)算法與H.264標(biāo)準(zhǔn)中算法的圖像質(zhì)量比較如表2所示。通過調(diào)整量化參數(shù) QP對Container、Foreman、News和Tenis序列編碼進(jìn)行測試(幀頻為30 Hz)得到算法改進(jìn)前后碼率－信噪比的比較關(guān)系如圖2所示。其中PSNR(dB)表示每個(gè)序列亮度信號峰值信噪比，△PSNR為峰值信噪比的增加;Bit－rate(kbit/s)表示編碼碼率，△Bit－rate為平均碼率的增加。從表2和圖2可知，相對于H.264標(biāo)準(zhǔn)中分像素插值算法，改進(jìn)后的插值算法峰值噪聲比(PSNR)明顯增加，同時(shí)比特率(Bit－rate)明顯減少。

表2 改進(jìn)算法與H.264標(biāo)準(zhǔn)中算法的圖像質(zhì)量比較Table 2 The com pare in im age quality between the im proved algorithm and algorithm in H.264 standards

圖2 算法改進(jìn)前后的碼率-信噪比關(guān)系曲線Fig.2 The relation of the bit-rate—PSNR-Y before and after im proved algorithm

5 結(jié)論

本文首先給出H.264/AVC分像素插值濾波算法原理，在此基礎(chǔ)之上提出了一種濾波系數(shù)可變、系數(shù)和不變的分像素插值算法。從目前國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC中6階濾波器簡化到4階濾波器，并給出了m=n=(4、5、6)的濾波系數(shù)值。仿真結(jié)果顯示，該算法與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H. 264相比，計(jì)算復(fù)雜度相當(dāng)，同時(shí)降低18%的空間復(fù)雜度，并減小存儲面積，提高了編碼性能。

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