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H.264中变换和量化算法的研究与优化

作　者: 向校萱
导　师: 王琰
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: H.264 整数DCT变换全零块预测高斯分布 SSE2
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 52次
引　用: 2次
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内容摘要

H.264视频编码国际标准是由ITU-T的视频专家组和ISO/IEC的运动图像专家组共同组成的联合视频小组JVT (Joint Video Team)制定的。为了实现更高的编码效率,H.264标准采用了许多新技术,例如4×4块的整数变换、空域内的帧内预测、1/4像素精度的运动估计、多参考帧与可变尺寸编码块模式的帧间预测、基于内容的熵编码以及新的环路滤波技术等。与以往的标准(诸如MPEG-4和H.263)相比,H.264在编码效率方面有着更优越的性能,但其编码复杂度极高。因此,研究如何降低巨大的编码复杂度,对标准的发展至关重要。对于H.264编码器而言,整数离散余弦变换DCT (Discrete Cosine Transform)和量化是两个重要的环节。由于中、低码率视频都具有运动缓慢和运动补偿的残差值小的特点,编码器用于变换和量化的计算量比例增大。因此,降低这部分的计算量是很有必要的。本文主要是从实时视频应用的角度,对H.264编码过程中整数变换和量化模块的加速问题以及H.264编码器优化两个方面进行了研究。文中首先分析H.264标准中整数DCT变换和量化的基本原理,然后采用高斯分布来考察H.264中的残差系数和4×4整数DCT变换系数,并根据DCT变换系数的能量分布特点以及“Zigzag扫描”的特性划分亮度、色度分量DCT简化块模型,将Hadamard变换和量化前确定的变换绝对差值总和(SATD)作为预测全零系数块的依据,提出了一种快速有效的全零块预测算法。实验结果表明,该方法在保持图像质量的情况下,能够减少H.264编码过程中的DCT变换、量化、反DCT变换和反量化的运算量,提高了H.264的编码效率。最后,针对一些耗时较多的关键模块,如整数像素运动估计中计算SAD、整数变换、量化、Hadamard变换以及亚像素运动估计中计算SATD等,利用Pentium4CPU支持的SSE2指令集的并行运算能力对其进行指令级优化。实验结果表明,经过优化后,在保持视频图像质量的前提下,相应模块运行速度得到了提高。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 视频编码标准的发展现状  11-14
    1.2.2 视频编码的优化方法  14-16
  1.3 本文研究内容  16
  1.4 本文的组织结构  16-18
第2章 H.264视频编码技术  18-31
  2.1 H.264的特点、优势及应用  18-20
  2.2 H.264编码原理  20-21
  2.3 H.264的结构  21-24
    2.3.1 H.264的分层结构  21-23
    2.3.2 H.264的档次与级别  23-24
  2.4 H.264视频编码标准的核心技术  24-30
    2.4.1 帧内预测  24-25
    2.4.2 帧间预测  25-27
    2.4.3 4×4整数DCT变换及量化  27-28
    2.4.4 熵编码  28-29
    2.4.5 去方块(de-blocking)效应滤波器  29-30
    2.4.6 SP/SI帧技术  30
  2.5 本章小结  30-31
第3章整数DCT变换及量化的研究与分析  31-57
  3.1 引言  31
  3.2 整数DCT变换与量化原理  31-41
    3.2.1 4×4残差块整数变换及量化  33-39
    3.2.2 帧内16×16预测模式4×4亮度DC系数的变换和量化  39-40
    3.2.3 2×2色度DC系数的变换和量化  40-41
    3.2.4 整数变换的特点及比较  41
  3.3 H.264中全零块预测的快速DCT算法  41-53
    3.3.1 理论分析  46
    3.3.2 变换系数的分布特性  46-47
    3.3.3 建立精简块模型  47-49
    3.3.4 基于SATD的全零块预测方法  49-53
  3.4 实验结果分析  53-56
  3.5 本章小结  56-57
第4章 H.264编码器的指令优化  57-73
  4.1 多媒体指令集  57-64
    4.1.1 MMX指令集  57-59
    4.1.2 SSE指令集  59-60
    4.1.3 SSE2指令集  60-63
    4.1.4 SSE3指令集  63-64
  4.2 H.264编码器中关键模块的SSE2指令优化设计  64-69
    4.2.1 H.264中优化对象的分析与选择  64
    4.2.2 整数像素运动估计中SAD运算模块的实现  64-65
    4.2.3 整数DCT变换及量化模块的实现  65-68
    4.2.4 亚像素运动估计的SATD运算模块的实现  68-69
  4.3 实验结果分析  69-72
  4.4 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  80-81
致谢  81-82

H.264中变换和量化算法的研究与优化

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