新一代视频压缩标准算法和应用研究

论文摘要

随着多媒体和计算机网络技术的发展,数字视频压缩在许多领域中得到了广泛的应用,包括可视电话、视频会议、IPTV和数字电视等。为了满足不断发展的应用需求,近几年来,许多国际标准组织相继制定发布了一系列新的视频压缩标准。其中以H.264、AVS和VC-1为代表的压缩标准,由于具有比以往标准更出色的性能,被人们称为新一代视频压缩标准,它们是目前的研究热点。本文以新一代视频压缩标准为研究对象,主要针对视频编解码架构、帧内预测、帧间预测、变换算法和环路滤波等方面,进行了深入地分析和研究,并提出了多种优化算法和实现结构。其中大部分算法已经在ASIC设计和FPGA平台中得到验证,发挥了稳定的性能。首先以H.264为例,本文对视频编码的实时性能瓶颈——帧间预测和帧内预测进行了研究。针对帧间预测,分别提出了基于量化步长的自适应提前终止整像素快速估计算法,和基于平坦区域预测的分像素快速估计算法。针对帧内预测,提出了一种基于模式统计和全零块判决的快速搜索算法。实验证明,在保持图像压缩质量和压缩效率的前提下,这些快速算法有效地降低了帧间预测和帧内预测复杂度。和原来相比,通过算法改进后的视频编码速度提高了1倍。本文接着重点研究了多标准视频编解码器。根据新一代视频压缩标准的特点,目前提出了多种视频多媒体实现架构,各有优缺点。立足于自身的设计经验,文章提出了基于MPU和ASIC架构的多标准视频编解码平台。基于ASIC的实现,使该平台具有成本低、功耗低和处理能力强的特点;而新颖的软硬件协同工作机制,弥补了其在灵活性和扩展性上的不足。和其它视频处理器相比,具有更强的市场竞争力。接着,本文主要针对多标准解码平台中的反变换部分进行了研究。新一代视频标准支持8×8DCT变换、8×8整数变换、4×4整数变换、8×4整数变换和4×8整数变换。为了实现解码兼容,提出了基于8×8块的归一化反变换算法。该算法通过蝶型运算的矩阵改造和8×8反变换重构,获得了统一的反变换算法结构。在此基础上,提出了适用于多标准解码的反变换实现结构。该结构在满足变换处理的同时,有效节省了硬件资源。然后,本文研究了多标准解码平台中的环路滤波部分。通过调整数据结构,提出了优化的滤波顺序,实现了H.264和AVS的一致性去块滤波;对于VC-1,通过扩展参考数据,调整滤波顺序,实现以宏块为单位进行交迭滤波和去块滤波。基于算法优化,提出了多标准解码的环路滤波实现结构。该结构很好地解决了环路滤波复杂度高和数据吞吐量大的问题,同时提高了资源的复用率。另外,对于局部宏块的出错数据,文章提出了错误掩盖宏块的去块滤波设计方法,提高了图像质量。最后,对全文工作进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 视频压缩原理
• 1.1.1 预测编码
• 1.1.2 变换编码
• 1.1.3 熵编码
• 1.1.4 混合编码
• 1.2 新一代视频压缩标准
• 1.2.1 视频压缩标准的发展
• 1.2.2 H.264/AVC简介
• 1.2.3 AVS简介
• 1.2.4 VC-1简介
• 1.2.5 "新一代"视频压缩标准高压缩率的算法基础
• 1.3 本文内容安排和主要研究成果
• 1.3.1 本文内容安排
• 1.3.2 关键技术指标
• 1.3.3 本文主要研究成果
• 第2章 视频编码算法研究
• 2.1 编码实现复杂度分析
• 2.2 帧间预测整像素运动估计算法研究
• 2.2.1 整像素运动估计概述
• 2.2.2 UMHexagonS整像素运动搜索算法
• 2.2.3 针对DCT变换的全零块判决提前终止搜索算法
• 2.2.4 ATETS整像素运动搜索算法
• 2.2.5 ATETS算法性能分析
• 2.2.6 整像素运动估计总结
• 2.3 帧间预测分像素运动估计算法研究
• 2.3.1 分像素运动估计概述
• 2.3.2 H.264分像素搜索算法
• 2.3.3 MCFPS分像素搜索算法
• 2.3.4 MCFPS性能分析
• 2.3.5 分像素运动估计总结
• 2.4 帧内预测算法研究
• 2.4.1 帧内预测概述
• 2.4.2 H.264多模式帧内预测全搜索算法和快速算法
• 2.4.3 MSZB帧内预测快速算法
• 2.4.4 MSZB算法性能分析
• 2.4.5 帧内预测总结
• 2.5 本章小结
• 第3章 新一代视频CODEC架构研究
• 3.1 视频CODEC实现方案
• 3.2 专用视频CODEC芯片
• 3.2.1 新一代视频CODEC面临的挑战
• 3.2.2 主流视频CODEC芯片架构
• 3.3 新一代多标准视频解码平台
• 3.3.1 设计出发点
• 3.3.2 多标准视频编解码平台结构
• 3.3.3 软硬件协同设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 多标准反变换算法和应用研究
• 4.1 变换和反变换概述
• 4.1.1 离散余弦变换
• 4.1.2 整数余弦变换
• 4.2 多标准反变换算法优化
• 4.2.1 传统视频8x8DCT反变换算法
• 4.2.2 AVS 8x8整数反变换算法优化
• 4.2.3 H.264 4x4和8x8反变换算法优化
• 4.2.4 VC-1自适应块反变换算法优化
• 4.2.5 多标准反变换归一化算法
• 4.3 多标准反变换实现研究
• 4.3.1 多标准反变换兼容结构
• 4.3.2 整数反变换加速结构
• 4.3.3 性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 多标准去块滤波算法和应用研究
• 5.1 去块滤波概述
• 5.2 H.264环路去块滤波算法研究
• 5.2.1 H.264环路去块滤波算法
• 5.2.2 滤波顺序优化
• 5.2.3 色度滤波优化
• 5.2.4 双边界滤波优化
• 5.2.5 滤波参数优化
• 5.3 AVS环路去块滤波算法研究
• 5.3.1 AVS环路去块滤波算法
• 5.3.2 AVS去块滤波算法优化
• 5.4 VC-1环路滤波算法研究
• 5.4.1 VC-1交迭滤波（overlap filtering）
• 5.4.2 VC-1去块滤波（deblock filtering）
• 5.4.3 VC-1环路滤波特点
• 5.4.4 VC-1环路滤波算法优化
• 5.5 多标准环路滤波实现研究
• 5.5.1 多标准环路滤波实现结构
• 5.5.2 错误掩盖宏块的去块滤波
• 5.5.3 性能分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 全文总结和展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参与的科研工作
• 致谢