摘? 要: H.263是面向運動圖像遠程實時傳輸的壓縮方法。基于大量實際研究，分析了H.263的算法流程，從色彩空間轉換函數、DCT、IDCT、運動估計" title="運動估計">運動估計和運動補償等多方面提出并實現對H.263的優化策略，采用增強PB幀模式提高壓縮比" title="壓縮比">壓縮比，最后給出了定量測試結果。
????關鍵詞: H.263 CIF DCT IDCT 運動估計與運動補償
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運動圖像遠程實時傳輸系統的網絡傳輸部分架構在Internet之上，而現階段Internet的狀況是帶寬小、延遲大、不穩定。所以為了獲得良好的實時傳輸效果，除了改善傳輸控制機制之外，還需要實現高壓縮比、低耗時、能達到實時壓縮和解壓縮效果的運動圖像壓縮方法。H.263是國際電信協會-電信標準化部門ITU-T(The International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)于1995年通過的用于低比特率實時傳輸的視頻編解碼協議。其設計初衷是滿足帶寬低于64kbps的低帶寬視頻應用需求，如視頻會議、可視電話等。現在H.263也被應用于運動圖像遠程實時傳輸系統中，但原始的H.263在實時性和壓縮比等方面還有不少可優化余地。本文針對具體的運動圖像遠程實時傳輸系統應用，在大量研究工作基礎上提出多個H.263的優化策略，并取得了相當好的效果。
1 H.263壓縮算法的分析概要
H.263的輸入視頻幀格式為QCIF(Quarter Common Intermediate Format，大小為176×144)、CIF(Common Intermediate Format，大小為352×288)等。將每個視頻幀分成許多宏塊" title="宏塊">宏塊(MB-Micro Block)，每個宏塊由4個Y亮度塊、1個Cb色度塊和1個Cr色度塊組成。塊(Block)的大小為8×8。H.263以宏塊為單位進行視頻幀的壓縮。
H.263使用離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)減小空間冗余，使用運動估計和運動補償(Motion Estimation and Motion Compensation)減小時間冗余。H.263有兩種編碼方式，一種是Intra方式，幀內編碼，產生的幀作為關鍵幀-I幀;另一種是Inter方式，幀間編碼，產生的幀作為非關鍵幀-P幀。
通過分析，將H.263壓縮算法的流程圖歸納為如圖1所示。
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通過分析和測試表明，DCT、運動估計和運動補償是H.263最重要的部分，同時也是H.263實現中最耗時的運算環節。要提高H.263的運算速度，就要針對這些環節進行優化。
2 轉換函數、DCT和運動估計環節的優化
2.1 色彩空間轉換函數的優化
CIF格式基于YUV色彩空間，而應用程序中，大多數視頻采集程序只提供RGB色彩空間的視頻幀，因此需要建立從RGB色彩空間到YUV色彩空間的轉換函數。
RGB到YUV的轉換函數如下所示，其中Y為YUV色彩空間的亮度值，U(Cb)和V(Cr)為YUV色彩空間的色度值。
H.263原有的色彩空間轉換算法采用浮點運算，但浮點運算會消耗較多的CPU周期。為了加快視頻處理速度，采用整型乘法和向右移位來代替浮點乘除，從而有效縮短了轉換時間。
優化后的轉換函數如下:
2.2 DCT、IDCT算法的優化
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通過分析得出，DCT快速算法的實現可以有兩種方式。一種方法是把已有的快速變換算法(如FFT、FHT等)映射到DCT計算中，這種方式多了一個映射環節，增加了計算的復雜度;另一種方法是從DCT變換本身尋找規律進行改進。
在H.263應用中，注意到兩條規律:一是能量集中在少部分DCT系數上;二是隨著量化步長的增大，被量化為零的DCT系數增多，而且對DCT計算的精度要求降低。于是，采用一種零系數預測策略，即根據量化步長，首先對DCT變換的輸入數據分類，對于給定的量化步長，如果輸入數據將要被量化為0，那么這些數據就不必做DCT運算，而直接將變換結果置為0。這樣只需對部分數據進行DCT變換，因此節省了大量無效運算。另外，利用DCT的局部并行性，使用Intel的多媒體處理指令集-MMX來實現DCT計算，大幅度提高了運算速度。
2.3 運動估計與運動補償算法的優化
運動估計是指在參考幀中搜索一個與當前幀圖像塊最相似的圖像塊，即最佳匹配塊，搜索結果用運動向量來表示。運動補償是指利用參考幀和已求得的運動向量重構當前幀，把重構幀和當前幀的差值作為當前幀的補償值進行壓縮編碼。兩者互相配合，共同實現壓縮效果。
運動估計算法的研究從兩方面著手:快速搜索算法和塊匹配" title="塊匹配">塊匹配準則。
最簡單的搜索算法是全搜索法(FS)，這種算法精度高，但計算量過于龐大。為了加快運算速度，保證精度，人們提出了很多快速搜索算法:三步法(TSS)及基于三步法的改進算法、二維對數法(LOGS)、交叉搜索法(CS)、四步法(4SS)、預測搜索法(PSA)、鉆石搜索法(DS)等。鉆石搜索法是迄今為止綜合性能最優的快速搜索算法之一，用于本次項目研究中。
塊匹配準則決定何時找到最佳匹配塊，從而終止搜索進程。傳統的準則有絕對平均誤差函數(MAE)、互相關函數(CCF)、均方誤差函數(MSE)、最大誤差最小函數(MME)等。由于傳統方法沒有考慮人眼的視覺特性，所以判斷結果和人眼的感知相差較大。實際H.263采用的塊匹配準則為MSE的替代準則SAD(絕對差和)，兩者的公式如下:
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其中:F0和F-1分別代表當前幀和重構幀(參考幀);k，l為待編碼宏塊在當前幀中的坐標;x，y為重構幀中參考宏塊的坐標;N表示宏塊的尺寸，此處為16。從公式中可見，SAD用絕對值運算代替了MSE的乘方運算，明顯降低了運算量，從而可以加快計算速度。
測試表明，SAD的計算量要比MSE的計算量減少三分之一，而它們的圖像效果相當。
此外，還可以利用硬件特性加速塊匹配準則的運算速度，Intel的MMX技術提供了這種特性。SAD等塊匹配準則主要針對短數據的重復計算，MMX增加了系統單個指令操作數據的數目(SIMD)，從而可以在一個指令中完成多組數據的計算，實現并行機制，從而加快運算速度。
3 提高壓縮比的選擇
H.263提供了許多高級模式來提高視頻壓縮比。從對壓縮效率的貢獻角度看，大運動向量模式、高級預測模式、PB幀模式和增強PB幀模式是最重要的4個高級模式。
在大運動向量模式和高級預測模式下，運動向量可以指到圖像邊界以外，增大了運動向量的表達范圍，從而在本質上提高了運動補償的精度以改善編碼效率。
基本PB幀模式下，一個PB幀是一個P幀和一個B幀組成的整體。當前P幀由前一個P幀預測得到，B幀則由前一個P幀和當前P幀預測得到(見圖2)。PB幀模式在增加較少比特數的情況下，將幀率提高了近一倍。
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增強PB幀模式的主要改進點在于預測方式的增強。基本PB幀模式對B幀圖像(或宏塊 )僅允許使用雙向預測，而增強的PB幀模式對B幀圖像則允許使用前向預測(見圖3)、后向預測(見圖4)和雙向預測(見圖2)三種" title="三種">三種手段。這樣，在壓縮過程中，有機會選擇更合適的預測方法處理B幀圖像(或宏塊)，從而提高B幀的壓縮效率。基本PB幀模式的B幀只能通過雙向預測獲得，這對慢速運動圖像效果較好。當輸入運動圖像存在快速不規則運動時，B幀質量會急劇惡化，而增強PB幀模式的B幀有三種預測方式可選，可以解決這一難題。通過分析和測試表明，增強PB幀模式比基本PB幀模式有更強的魯棒性，更適用于運動圖像遠程實時傳輸。
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大運動向量模式和高級預測模式由于增大了運動向量的表示范圍，可以增強運動補償的精度，從而提高壓縮比;而增強PB幀模式引入B幀，有三種預測方式可以生成B幀，在相同幀率的情況下，將壓縮比提高近80%，壓縮效果明顯。在實際程序設計中，筆者配合傳輸環境測試模塊，在網絡帶寬較低時實現這三種方式的配合使用，發揮了更大的壓縮效率，達到更高的壓縮比。
4 實驗數據和性能分析
4.1 算法優化測試
分別取100幀三種不同格式(SUB-QCIF:88×72，QCIF:176×144，CIF:352×288)的視頻幀，每20幀取1個關鍵幀，視頻幀質量取6000，比較優化前和優化后算法的時間效率，結果如(圖5)所示。
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縱軸單位為毫秒，表示壓縮完成所需時間。可見，要處理的視頻幀越大，優化后的算法取得的加速效果越明顯。
4.2 增強PB幀模式壓縮效果測試
分別取100幀三種不同格式(SUB-QCIF:88×72，QCIF:176×144，CIF:352×288)的視頻幀，每20幀取1個關鍵幀，視頻幀質量取6000，比較使用增強PB幀模式前和使用增強PB幀模式后算法的壓縮效率，結果如(圖6)所示。
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縱軸為壓縮比。要處理的視頻幀越大，冗余信息越多，增強PB幀模式的壓縮效果越明顯。
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參考文獻
1 趙 鵬，戴梅萼，付 良. 遠程機器人監控系統關鍵技術的研究和實現. 小型微型計算機系統，2000;(12)
2 戴梅萼，趙鵬，付良，武志光，王治.機器人圖像的采集、壓縮和實時傳輸的研究.清華大學學報(自然科學版)，2001；41
? (7)
3 ITU-T，Draft ITU-T Recommendation H.263 Version 3.2000.11
4 Kok C W.Fast Algorithm for Computing Discrete Cosine Transform[J]. IEEE Trans，On Signal Processing，1997
5 Jordi Ribas-Corbera，Shawmin Lei.Rate Control in DCT Video Coding for Low-Delay Communications[J]. IEEE
Trans，On Circuits and Systems for Video Tech，1999