程相昱，劉 昱，段繼忠，汪少初

(天津大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300072)

H.264/AVC［1］作為新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，由于其高效的壓縮性能和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性，在數(shù)字廣播電視領(lǐng)域和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。基于視頻轉(zhuǎn)換編碼技術(shù)［2－3］的H.264/AVC圖標(biāo)、字幕插入應(yīng)用將會(huì)有廣泛的應(yīng)用需求。視頻轉(zhuǎn)換編碼的核心思想是通過信息重用在視頻質(zhì)量、碼率和編碼計(jì)算量之間取得平衡。經(jīng)測(cè)算，在H.264/AVC編碼過程中，宏塊模式判斷和幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)占用了75%左右的計(jì)算量。因此，在轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)中，編碼端重用解碼獲得的宏塊類型、幀內(nèi)/幀間預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量、參考幀等編碼參數(shù)，可以在保證輸出高質(zhì)量視頻的前提下，大幅度降低計(jì)算量，提高編碼速度。

文獻(xiàn)［4］系統(tǒng)評(píng)價(jià)了多種轉(zhuǎn)碼架構(gòu)的優(yōu)劣性，根據(jù)轉(zhuǎn)碼需求，本文采用像素域級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)碼架構(gòu)。文獻(xiàn)［5］討論了在MPEG－2碼流中的圖標(biāo)插入算法。文獻(xiàn)［6］提出一種H.264碼流中的圖標(biāo)插入算法，該算法在幀內(nèi)編碼時(shí)，對(duì)圖標(biāo)周圍的宏塊采用IPCM編碼的方式以保證無損，但此方案在應(yīng)用中會(huì)造成碼率明顯增大，且不能有效解決幀間編碼由于圖標(biāo)插入而造成的影響。筆者在此基礎(chǔ)上，提出了一種高效、優(yōu)質(zhì)，且支持碼流特性全面的H.264/AVC圖標(biāo)插入轉(zhuǎn)換編碼器。

1 H.264/AVC圖標(biāo)插入關(guān)鍵技術(shù)

1.1 轉(zhuǎn)碼器架構(gòu)

轉(zhuǎn)碼器架構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)碼器架構(gòu)框圖

該轉(zhuǎn)碼器架構(gòu)采用像素域的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)碼器(Cascaded Pixel－Domain Transcoder，CPDT)［4］，解碼端將視頻完整解碼到像素域作為編碼端輸入，重新執(zhí)行變換和量化，編碼所需要的宏塊類型、量化參數(shù)、預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量等參數(shù)從解碼端獲得。重用的語法信息如表1所示。

表1 重用的語法元素(對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn))

本文采用了無再損編碼方案，減少二次編碼過程的信息損失，保證轉(zhuǎn)碼得到的碼流具有高圖像質(zhì)量;通過重用輸入碼流的編碼參數(shù)，節(jié)省編碼過程中模式判斷和運(yùn)動(dòng)估計(jì)的計(jì)算量，大幅提高編碼速度。

1.2 無再損H.264編碼

簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)碼過程如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)碼過程框圖

無再損H.264編碼，即第一次編碼的重建圖像和第二次編碼的重建圖像嚴(yán)格一致。文獻(xiàn)［7］提出無再損幀內(nèi)編碼的算法，解決了幀內(nèi)編碼中由于數(shù)據(jù)溢出和整數(shù)運(yùn)算誤差造成的圖像失真問題。

H.264中引入去塊效應(yīng)濾波，濾波會(huì)修改宏塊邊界以及邊界附近的像素。為保證兩次編碼重構(gòu)圖像一致，筆者在解碼過程中關(guān)閉去塊效應(yīng)濾波，以未濾波的圖像作為編碼端輸入，最大限度地減少了二次編碼過程的信息損失。

在以未濾波圖像為輸入源的情況下，假設(shè)反變換與反量化均為線性可逆運(yùn)算，則圖2中，從B到G的過程沒有信息損失，兩次編碼的重建圖像嚴(yán)格一致，即為無再損編碼。H.264編解碼中大多數(shù)運(yùn)算為8 bit整數(shù)運(yùn)算，在重構(gòu)過程中可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出，H.264標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了Clip運(yùn)算保證輸出數(shù)據(jù)的有效性。由于整數(shù)運(yùn)算的誤差及數(shù)據(jù)溢出的誤差，嚴(yán)格的無再損無法實(shí)現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大多數(shù)情況下，該方法可高質(zhì)量恢復(fù)原圖像，部分序列可實(shí)現(xiàn)完全恢復(fù)原圖像。

1.3 H.264對(duì)幀/場(chǎng)特性的支持

編碼器大多只實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中的一部分特性而非全部，而在實(shí)際轉(zhuǎn)碼應(yīng)用中，存在一些碼流，含有不被編碼器支持的碼流特性。在這種情況下，解碼參數(shù)直接映射到編碼端，不能被正確編碼。解決此類問題有兩個(gè)方案，一是設(shè)計(jì)合理的算法，選擇其他參數(shù)代替該特性;二是對(duì)于一些常見的而編碼器不支持的碼流特性，完善編碼器，并加入其對(duì)該特性的支持。

該轉(zhuǎn)碼平臺(tái)選用x264作為編碼器，此編碼器不支持宏塊幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼(MacroBlock Adaptive Field Frame，MBAFF)，而此特性在碼流中較為常見，因此筆者為x264平臺(tái)加入其對(duì)宏塊幀場(chǎng)自適應(yīng)的支持。

MBAFF幀編碼最核心的問題是相鄰宏塊、塊地址的推導(dǎo)，相鄰像素的加載、相鄰宏塊的幀/場(chǎng)狀態(tài)、CBP(Code Block Pattern)、非零系數(shù)個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量等參數(shù)的加載都與此直接相關(guān)。

MBAFF幀中，直接賦予宏塊幀/場(chǎng)狀態(tài)、宏塊類型等編碼參數(shù)。在P、B幀中，遇到Skip類型的宏塊，會(huì)出現(xiàn)特殊問題。由于Skip類型的宏塊在碼流中只有1個(gè)mb_skip_flag的標(biāo)志位，表征該宏塊幀/場(chǎng)狀態(tài)的語法元素mb_field_decoding_flag的值與該宏塊對(duì)中另一非Skip類型宏塊的值相同，如果1個(gè)宏塊對(duì)中的2個(gè)宏塊均為Skip類型，則該宏塊對(duì)中的每個(gè)宏塊都不存在mb_field_decoding_flag。這時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，該宏塊對(duì)的mb_field_decoding_flag值將按下列規(guī)則推導(dǎo)出。相應(yīng)程序段為:

一對(duì)在原始碼流中不全為Skip類型的宏塊對(duì)，可能在第二次編碼后，恰好全滿足Skip類型的條件，這是在被賦予的mb_field_decoding_flag值條件下滿足Skip類型的條件。解碼過程中，如果按上述規(guī)則推導(dǎo)出的mb_field_decoding_flag值與當(dāng)前宏塊編碼的真實(shí)mb_field_decoding_flag值不一致時(shí)，由于幀/場(chǎng)狀態(tài)錯(cuò)誤，解碼圖像將出現(xiàn)錯(cuò)誤，后續(xù)解碼宏塊也都將解碼錯(cuò)誤。因此，如果一個(gè)宏塊對(duì)中的每個(gè)宏塊的mb_field_decoding_flag都不存在，且該宏塊對(duì)的mb_field_decoding_flag值與按照標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)出的值不一致時(shí)，本文將強(qiáng)制把該宏塊對(duì)的底宏塊的類型修正為非Skip類型，且將正確的mb_field_decoding_flag賦予該宏塊，并寫入碼流中，以保證碼流中存在表征該宏塊對(duì)真實(shí)幀/場(chǎng)狀態(tài)的語法信息。

1.4 圖標(biāo)插入后編碼參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)插入圖標(biāo)處理對(duì)宏塊編碼參數(shù)造成的影響，可將一幀中的宏塊分為3類，如圖3所示。Ⅰ為圖標(biāo)區(qū)域宏塊，圖像數(shù)據(jù)發(fā)生變化;Ⅱ?yàn)榉菆D標(biāo)區(qū)域的宏塊，自身圖像沒有變化，但幀內(nèi)、幀間預(yù)測(cè)時(shí)參考了圖標(biāo)區(qū)域的圖像;Ⅲ為非圖標(biāo)區(qū)域的宏塊，自身圖像、參考圖像都沒有變化。

圖3 受圖標(biāo)插入影響不同的幾類宏塊示意圖

對(duì)應(yīng)上述不同類型的宏塊，編碼參數(shù)的優(yōu)化采取不同方案。

Ⅰ、Ⅱ類宏塊，由于圖像數(shù)據(jù)或參考圖像數(shù)據(jù)的變化，其宏塊類型、預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量等參數(shù)已非最優(yōu)，如果把這些參數(shù)編入碼流，將會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量惡化、碼率增加。因此，這兩類宏塊須重新做模式判斷和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，以得到最優(yōu)的編碼參數(shù)。

Ⅲ類宏塊，自身圖像和參考圖像都沒有變化，直接用原碼流的參數(shù)，可大幅度提高編碼速度。

在Ⅲ類宏塊中，幀間的Skip類型宏塊必須同時(shí)滿足運(yùn)動(dòng)矢量殘差為0和像素殘差為0;由于圖標(biāo)插入處理，相鄰宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量可能發(fā)生變化，導(dǎo)致當(dāng)前宏塊運(yùn)動(dòng)矢量殘差不再為0，同時(shí)，由于二次編碼中，變換、量化中整數(shù)運(yùn)算造成的舍入誤差和數(shù)據(jù)溢出的誤差，像素殘差也可能不再為0。因此，Skip類型宏塊需要判斷是否滿足Skip條件，做出調(diào)整，規(guī)則(程序段)如下:

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能比較

本文使用H.264碼流作為測(cè)試輸入，序列采用walk、crew、ice、soccer、city，格式為 720 ×756，GOP 長(zhǎng)度為 15，幀結(jié)構(gòu)為“I－B－B－P－B－B－P”，I，P，B 幀 QP 分別為25，28，30，疊加的圖標(biāo)尺寸為160×60。運(yùn)行平臺(tái)為Pentium(R)4，CPU 3.00 GHz，Windows XP。

實(shí)驗(yàn)分別采用本文提出的轉(zhuǎn)碼算法，和完整解碼到像素域用JM重新編碼兩種方案，進(jìn)行圖標(biāo)插入的轉(zhuǎn)換編碼測(cè)試，每個(gè)序列編碼298幀，將輸入H.264碼流解碼到像素域，疊加圖標(biāo)，作為基準(zhǔn)參考圖像，比較兩種方案得到碼流的PSNR、碼率以及各自的編碼時(shí)間。walk序列轉(zhuǎn)碼前、后碼流第一幀的解碼圖像如圖4所示。

圖4 walk序列轉(zhuǎn)碼前后碼流第一幀的解碼圖像

如圖4所示，轉(zhuǎn)碼后，在主觀上，人眼幾乎察覺不到圖像變化;客觀上，非圖標(biāo)區(qū)域宏塊參數(shù)保持不變，最大限度地保持了輸入碼流的圖像質(zhì)量。

該設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)碼器，編碼端采用開源代碼自由軟件庫x264，x264是通用計(jì)算平臺(tái)上較為快速的H.264編碼器。作為官方標(biāo)準(zhǔn)的編解碼模型，JM［8］注重全面實(shí)現(xiàn)H.264標(biāo)準(zhǔn)中定義的編解碼工具，而不注重編碼速度。因此，為了公平評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文只與JM編碼得到的碼流比較PSNR、碼率的變化，不比較編碼速度。為了體現(xiàn)轉(zhuǎn)碼器速度上的優(yōu)勢(shì)，以解碼到像素域并疊加圖標(biāo)的YUV數(shù)據(jù)作為輸入，用x264編碼器重新編碼，記錄編碼時(shí)間，與轉(zhuǎn)碼器運(yùn)行實(shí)際時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

表2列出了圖標(biāo)插入的情況下，分別采用本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)碼器和全解全編(JM編碼)轉(zhuǎn)碼后碼流的PSNR、兩種方案得到碼流碼率與原始輸入碼流碼率相比變化的百分比，以及x264編碼器重新編碼時(shí)間和轉(zhuǎn)碼器運(yùn)行時(shí)間。

表2 圖標(biāo)插入的轉(zhuǎn)換編碼PSNR、碼率和編碼時(shí)間的比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)碼前后，碼率波動(dòng)幅度較小;在保持碼率穩(wěn)定的情況下，與JM相比，可以獲得具有較高PSNR值的碼流。表2的運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)碼運(yùn)行的時(shí)間受碼率大小影響明顯，表明大部分計(jì)算量被用于熵編碼過程，即用于模式判斷計(jì)算量的優(yōu)化已趨近極限。多種序列的測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的H.264/AVC圖標(biāo)插入架構(gòu)可高效、優(yōu)質(zhì)地實(shí)現(xiàn)標(biāo)清H.264碼流中的圖標(biāo)插入應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于x264編碼平臺(tái)的像素域級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)碼器，高效、優(yōu)質(zhì)地實(shí)現(xiàn)在H.264碼流中實(shí)時(shí)插入圖標(biāo)的需求，支持大多數(shù)碼流特性，可用于實(shí)用產(chǎn)品。與H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼器JM和開源的x264相比，本文無論在編碼速度上，還是圖像質(zhì)量上，均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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