摘  要：為進(jìn)一步提高視頻壓縮效率，將重疊塊運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)補(bǔ)償與H．264視頻編碼框架中的可變大小塊運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)相結(jié)合，根據(jù)不同塊的編碼模式，自適應(yīng)調(diào)整重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)募訖?quán)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償對(duì)于較復(fù)雜的序列，在較高目標(biāo)碼率下，最大編碼增益可達(dá)0．21 dB，顯著提高了H.264的編碼效率。
關(guān)鍵詞：視頻壓縮；重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，編碼模式

    隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字視頻業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。H．264標(biāo)準(zhǔn)正是為適應(yīng)各種業(yè)務(wù)增長(zhǎng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像壓縮率的更高要求而制定的。在H．264中，引入了可變大小的塊運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、多幀預(yù)測(cè)、1/4像素插值等技術(shù)，以進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的精度，提高了視頻壓縮效率。
    在高壓縮效率下，基于塊運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償(block motion compensation，BMC)的視頻壓縮算法會(huì)產(chǎn)生塊效應(yīng)，嚴(yán)重影響了重建視頻的主觀質(zhì)量。在H．264中，在運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)／補(bǔ)償環(huán)路中引入去除塊效應(yīng)濾波器以降低塊效應(yīng)的影響。另一方面，文證明了重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(overlapped blockmotion compensation,OBMC)也是降低塊效應(yīng)、提高預(yù)測(cè)精度的一種有效手段，并研究了最優(yōu)重疊塊匹配加權(quán)窗的系數(shù)設(shè)計(jì)方法。但以上算法尚未在重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中有效利用H．264現(xiàn)有編碼框架中的多種預(yù)測(cè)模式，在H．264框架中引入重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，可以進(jìn)一步提高其編碼效率。
    本文提出了一種基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。該算法根據(jù)周?chē)�已編碼塊的編碼模式，自適應(yīng)選擇加權(quán)系數(shù)提高當(dāng)前編碼塊的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法在高碼率時(shí)，最大編碼增益可達(dá)0．21 dB，提高了H．264的編碼效率。

1 基于編碼模式的自適應(yīng)重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償
    文提出重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償提高了預(yù)測(cè)精度和編碼效率，并均衡了失真分布。在OBMC中，對(duì)于當(dāng)前編碼塊，可以擁有多個(gè)備選運(yùn)動(dòng)矢量，包括其自身的運(yùn)動(dòng)矢量和周?chē)�已編碼塊的運(yùn)動(dòng)矢量。通過(guò)引入一組加權(quán)系數(shù)，對(duì)每個(gè)候選的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)塊加權(quán)得到最終的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。
    考慮到H．264中最基本的編碼單位是4×4，為了描述方便，本算法中的OBMC選擇的塊大小為4×4。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，為了提高運(yùn)算速度，可以針對(duì)不同的編碼模式采取相應(yīng)的OBMC塊大小。對(duì)于當(dāng)前幀內(nèi)每個(gè)塊，如圖1所示，其備選運(yùn)動(dòng)矢量集由其自身的運(yùn)動(dòng)矢量和周?chē)鷫K的運(yùn)動(dòng)矢量組成。令Bc表示當(dāng)前編碼塊，Bi(i=1，2，3，4)表示其相鄰塊，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量為vc、vi。

    如圖2所示，假設(shè)p表示當(dāng)前編碼塊內(nèi)像素的坐標(biāo)，表示該像素采用OBMC得到的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值，則有

其中，fn-1(p)表示參考幀中位置p處的像素值，而ωc(p)、ωi(p)，1≤i≤4分別表示OBMC的加權(quán)系數(shù)，且應(yīng)滿足以下約束

    在對(duì)Bc塊進(jìn)行編碼時(shí)，B2和B4塊的運(yùn)動(dòng)矢量有可能還未進(jìn)行編碼(當(dāng)B2、B4塊與Bc塊不在同一個(gè)宏塊中時(shí))。此時(shí)為了保證編、解碼的同步，約定B2和B4的運(yùn)動(dòng)矢量設(shè)為vc。

    由于塊Bi內(nèi)不同位置p的加權(quán)系數(shù)是不均勻的，它們的取值構(gòu)成加權(quán)矩陣Wi。Wi的設(shè)置在很大程度上影響了OBMC的編碼效率。文給出了若干Wi的選取方法，然而，它針對(duì)的是運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)塊的劃分為固定的情況。
    由于H．264中采取了可變大小塊運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，從定性上來(lái)看，劃分較小的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)塊所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量一般來(lái)說(shuō)更加精確，也更能夠反映相鄰塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。基于該假設(shè)，屬于較小劃分的塊所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量，在OBMC中應(yīng)被賦予更大的權(quán)重，以進(jìn)一步提高OBMC的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)精度，提高編碼效率。
    根據(jù)這一推論，本算法采用了一種基于編碼模式的自適應(yīng)OBMC算法。對(duì)于當(dāng)前編碼塊Bc的每個(gè)鄰近塊Bi，定義一個(gè)加權(quán)矩陣集合si，根據(jù)Bc和Bi的編碼模式，選取合適的加權(quán)矩陣Wi∈Si。也就是說(shuō)，加權(quán)矩陣的選取策略取決于2個(gè)塊各自對(duì)應(yīng)的編碼模式。例如，假設(shè)相鄰塊Bl對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)塊大小為8×8，當(dāng)Bc的預(yù)測(cè)塊大小為16×16，相應(yīng)于v1的加權(quán)系數(shù)矩陣為W161,當(dāng)Bc的預(yù)測(cè)塊大小為4×4時(shí)，相應(yīng)于v1的加權(quán)系數(shù)矩陣為W41。加權(quán)矩陣的選擇策略應(yīng)該保證對(duì)于加權(quán)矩陣中每個(gè)位置(m,n)的系數(shù)，都有。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，可以采用查找表來(lái)存儲(chǔ)選擇策略。同時(shí)，加權(quán)矩陣集合和相應(yīng)的選擇策略可以通過(guò)對(duì)若干測(cè)試序列進(jìn)行訓(xùn)練而獲得。
    在采用OBMC后，相應(yīng)運(yùn)動(dòng)搜索的度量準(zhǔn)則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正。在本文中，為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的搜索不采取迭代的方法。此時(shí)，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索時(shí)，當(dāng)前塊選取的運(yùn)動(dòng)矢量不僅決定了其自身的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值，也會(huì)影響到其右邊及下邊塊的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值(左邊及上邊塊的運(yùn)動(dòng)矢量已經(jīng)確定，不再進(jìn)行考慮)。為了反映這種影響，將運(yùn)動(dòng)搜索的準(zhǔn)則重