PC機(jī)的MPEG-4編碼原理詳解及實(shí)現(xiàn)

1.3 運(yùn)動(dòng)編碼

運(yùn)動(dòng)編碼對(duì)當(dāng)前P-VOP和參考VOP進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償，減小幀間的時(shí)間相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)壓縮。

通常采用塊匹配法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)。塊匹配法就是針對(duì)當(dāng)前幀中某一特定大小的圖像塊，從參考幀的一定區(qū)域中找出該圖像塊絕對(duì)誤差和(Sum of AbsoluteDifference，SAD)的最小匹配塊，利用此匹配塊來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前塊。圖像塊的絕對(duì)誤差和指兩個(gè)大小相同的圖像塊的中像素差的絕對(duì)值之和。SAD_16×16函數(shù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前宏塊和參考宏塊間的絕對(duì)誤差和；SAD_8×8函數(shù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前8×8塊與參考8×8塊間的絕對(duì)誤差和。

確定了塊匹配準(zhǔn)則后，就要進(jìn)行最優(yōu)匹配點(diǎn)的搜索，MPEG-4校驗(yàn)?zāi)Ｐ妥詈蟛捎勉@石搜索法(Diamond Search，DS)。鉆石搜索法是一種利用搜索模板的形狀和大小，對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法速度及精度產(chǎn)生重要影響的快速搜索法。選用了兩種形狀和大小都不相同的搜索模板：一種是大鉆石搜索模板(Large DiamondSearch Pattern，LDSP)，它有9個(gè)候選位置：(0，0)，(0，2)，(1，1)，(2，0)，(1，-1)，(0，-2)，(-1，-1)，(-2，0)和(-1，1)。具體模板如圖3所示。一種是小鉆石搜索模板(Small Diamond Search Pattern，SDSP)，它包含5個(gè)候選位置：(0，0)，(0，1)，(1，0)，(0，-1)和(-1，0)。具體模板如圖4所示。



鉆石搜索過(guò)程如下：以當(dāng)前幀的當(dāng)前宏塊的左上角起點(diǎn)坐標(biāo)為大模板的原點(diǎn)(0，0)，在參考幀的搜索范圍內(nèi)，分別以大模板的(0，0)，(0，2)，(1，1)，(2，0)，(1，-1)，(0，-2)，(-1，-1)，(-2，0)和(-1，1)像素點(diǎn)作為宏塊的左上角起點(diǎn)，將該宏塊和當(dāng)前幀的宏塊做SAD16×16運(yùn)算，選擇SAD16×16值最小的左上角起點(diǎn)作為暫時(shí)的最佳匹配點(diǎn)，此點(diǎn)與當(dāng)前宏塊左上角起點(diǎn)之間的位移就是運(yùn)動(dòng)矢量。判斷此運(yùn)動(dòng)矢量是否適合特定的規(guī)則，如果不適合，則進(jìn)行新一輪的大鉆石模板搜索，直到找到適合條件的運(yùn)動(dòng)矢量。然后再以大鉆石模板搜索的最佳匹配點(diǎn)為中心點(diǎn)(0，0)，用小鉆石搜索模板進(jìn)行(0，1)，(1，0)，(0，-1)和(-1，0)四個(gè)參考點(diǎn)的精確搜索，搜索到的SAD16×16值最小點(diǎn)就是最終的最佳匹配點(diǎn)，最佳匹配點(diǎn)與當(dāng)前宏塊的左上角起點(diǎn)之間的位移就是最終的運(yùn)動(dòng)矢量。

以上是基于宏塊的全像素搜索，還可以選擇是否進(jìn)行基于8×8塊的全像素搜索。利用已經(jīng)得到的基于宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量，找到基于宏塊的最佳匹配點(diǎn)。此匹配點(diǎn)為中心(0，0)，其他匹配點(diǎn)為(-1，-1)，(0，-1)，(1，-1)，(-1，0)，(1，0)，(-1，1)，(0，1)，(1，1)，分別以這9個(gè)匹配點(diǎn)作為8×8像素塊的左上角起點(diǎn)，將該8×8塊和當(dāng)前幀的8×8塊做絕對(duì)差值和的運(yùn)算，選擇SAD_8×8值最小的左上角起點(diǎn)作為最佳匹配點(diǎn)，以找到最佳運(yùn)動(dòng)矢量，得到宏塊內(nèi)每個(gè)8×8亮度塊的運(yùn)動(dòng)矢量和SAD_8×8值。將4個(gè)SAD_8×8的和與SAD_16×16做比較，將較小值按照一定的規(guī)則處理，從而判斷當(dāng)前宏塊的預(yù)測(cè)模式為幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)。

如果采用幀間預(yù)測(cè)，進(jìn)一步采用半像素搜索。首先對(duì)整個(gè)參考幀進(jìn)行雙線性差值，則參考幀的面積變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，然后在特定的搜索范圍內(nèi)搜索出更精確的運(yùn)動(dòng)矢量，最后根據(jù)參考圖像的亮度信息、色度信息和運(yùn)動(dòng)矢量做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

如果采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)，不再對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行任何運(yùn)動(dòng)估計(jì)，相應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的參考宏塊數(shù)值為0。

最后用當(dāng)前幀減去運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后參考圖像得到差值，將差值數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理編碼；對(duì)每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行預(yù)測(cè)并求出差分值，對(duì)差分值進(jìn)行位流轉(zhuǎn)換并輸出。

2 編碼器的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試

根據(jù)圖1并結(jié)合MPEG-4編碼器各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理，進(jìn)行編碼器主函數(shù)的編寫(xiě)和調(diào)試。初步確定編碼器的主函數(shù)應(yīng)包括以下三部分：

初始化部分由于參考代碼中存在RGB到Y(jié)UV的圖像格式轉(zhuǎn)換函數(shù)(本文未介紹)，則應(yīng)開(kāi)辟相應(yīng)的存儲(chǔ)BMP和YUV圖像的空間；還要開(kāi)辟空間存放編碼器生成的壓縮文件；必須設(shè)置編碼器的編碼參數(shù)。

編碼處理部分此部分是通過(guò)循環(huán)編碼各幀圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)的，讀入一幀圖像后，判斷是采用I幀還是P幀，然后輸出VOP頭信息，進(jìn)行當(dāng)前VOP的編碼并輸出位流信息到緩沖器中，最后利用fwrite函數(shù)形成磁盤(pán)文件。

釋放資源前面兩個(gè)階段開(kāi)辟的內(nèi)存空間必須釋放掉，整個(gè)視頻的編碼過(guò)程結(jié)束。

結(jié)合參考的編碼主函數(shù)，調(diào)試并運(yùn)行編碼器，生成divx文件，相應(yīng)地調(diào)試出解碼器。逐一更改編碼器的量化參數(shù)QP、幀率、輸出碼率和I幀間隔參數(shù)，測(cè)試出它們對(duì)編碼效果的影響，如量化參數(shù)QP、幀率和I幀間隔參數(shù)與壓縮比成正比，輸出碼率與壓縮比成反比。經(jīng)過(guò)綜合測(cè)試，在保證解碼圖像質(zhì)量的前提下，當(dāng)QP為8，幀率為30 f／s，輸出碼率為400 000 b／s，I幀間隔為3時(shí)，壓縮比為58.8，此時(shí)達(dá)到最好的壓縮效果。當(dāng)然，如果對(duì)解壓后的視覺(jué)效果要求不高的話，壓縮倍數(shù)還可以繼續(xù)提高。

3 結(jié)語(yǔ)

所講的MPEG-4是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的Part2部分，其編解碼器已經(jīng)獲得了許多廠商的支持。目前，作為MPEG-4 Part10的H.264也已經(jīng)推出并發(fā)展，相比MPEG-4 Part2，H.264在同樣質(zhì)量下，其碼率能降低50%左右，說(shuō)明MPEG-4一直在發(fā)展。隨著基于內(nèi)容的編碼技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展，MPEG-4將有更為廣泛的應(yīng)用前景。