優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于cabac的可伸縮視頻編碼方法研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 re_state, MPS=0},否則{state= pre_state51, MPS=1}對(duì)于不同上下文模型的（m, n）分配參看標(biāo)準(zhǔn)。 上下文模型的分類上下文模型大概可以分成4種。第一種上下文模型包含當(dāng)前要編碼的句法元素的兩個(gè)相鄰塊的已編碼句法元素的信息，其中相鄰塊的具體位置就要看句法元素了，一般是根據(jù)左邊與上邊的相鄰塊。第二種上下文模型只對(duì)mb_type與sub_mb_type的句法元素有定義。對(duì)于這種上下文模型，之前已編碼的二進(jìn)串的值（b0, b1, b2,…, bi1）是用來(lái)為一個(gè)索引為i的二進(jìn)制句法元素值選擇模型的。第三與第四種上下文模型都是只應(yīng)用在殘差數(shù)據(jù)上。與其它上下文模型不同，這兩種類型都是依賴于不同塊種類的上下文范圍，如下文所示。其中，第三種類型并不依賴于已編碼數(shù)據(jù)，而是待編碼數(shù)據(jù)在掃描路徑上的位置。對(duì)于第四種類型，首先在前面已編碼（已解碼）的變換系數(shù)幅度中，統(tǒng)計(jì)出具有某個(gè)特定值的變換系數(shù)幅度出現(xiàn)的總次數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)數(shù)值來(lái)為當(dāng)前變換系數(shù)中的二進(jìn)值確定上下文模型。除了這些基于條件概率的上下文模型，還有固定的概率模型映射到為那些已在常規(guī)模式被編碼的所有二進(jìn)串的，以及先前沒(méi)有指定范圍的的上下文模型可以用到的二進(jìn)值索引。 上下文模型的分配與確定通常，每個(gè)句法元素的上下文模型根據(jù)上下文索引偏移量與上下文增量來(lái)確定。其中，上下文索引偏移量對(duì)于特定類型片中的特定句法元素是唯一確定的，可以在標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)查表獲得。而上下文增量，則是根據(jù)相鄰塊的編碼情況（也就是上下文信息）得出。對(duì)于不同的句法元素，所需相鄰塊的信息不同，但一般包括可用性（如當(dāng)前塊在片的邊緣上，則相鄰快可能由于不是在同一片中而不可用）與同一句法元素的編碼值。通常用于計(jì)算上下文增量的上下文建模函數(shù)為ctx_var_spat=cond_term(A,B)，A和B表示當(dāng)前塊的相鄰塊。其中cond_term()表示的是一種函數(shù)關(guān)系，有以下3種具體情況：ctx_var_spat1=cond_term(A) + cond_term(B)；ctx_var_spat2=cond_term(A) + 2*cond_term(B)；ctx_var_spat3=cond_term(A)另外，對(duì)于利用先前bin值（已編碼值）的上下文建模函數(shù)為ctx_var_bin[k] = cond_term (b1, …, bk1)各句法元素的上下文增量的具體推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)。算術(shù)編碼是基于區(qū)間劃分的，CABAC的算術(shù)編碼有以下3個(gè)明顯性質(zhì)：概率估計(jì)是對(duì)小概率符號(hào)LPS（Plps）的概率而言的，是通過(guò)基于表格中64個(gè)不同概率狀態(tài){Pk|0≤k64}之間的相互轉(zhuǎn)換而實(shí)現(xiàn)的。區(qū)間長(zhǎng)度R通過(guò)一組預(yù)先量化的值{Q1,Q2,Q3,Q4}進(jìn)行量化以計(jì)算新的間隔區(qū)間。通過(guò)儲(chǔ)存一個(gè)二維表格TabRangeLPS來(lái)決定LPS的新的子間隔范圍Rlps，表格包含所有64*4預(yù)計(jì)算值Qi * Pk，通過(guò)快速查表這樣就可以免除算術(shù)編碼中的乘法運(yùn)算了。對(duì)近似均勻分布（Plps=）的句法元素，在編碼和譯碼時(shí)選擇旁路方式，可以免除上下文建模，提高編碼速度。 概率估計(jì)：每一個(gè)上下文模型估計(jì)的概率可以用一個(gè)有效的有限的特征值集合來(lái)表征。對(duì)于CABAC，對(duì)LPS有64個(gè)特征概率值。 伸縮因子，N＝64一方面想要獲得快速的自適應(yīng)N要小；另一方面，如果想獲得更加穩(wěn)定更加精確的估計(jì)，則需要更大的N。注意在MQ編碼中，在CABAC方法中，不需要對(duì)LPS的概率值進(jìn)行表格化。在算術(shù)編碼中，每一個(gè)概率僅僅用其相關(guān)的索引 作為地址。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果導(dǎo)致，CABAC中的每一個(gè)上下文模型可以有兩個(gè)參數(shù)完全決定：LPS概率當(dāng)前估計(jì)值（）和MPS的值（0或者1）。這樣，在CABAC的概率估計(jì)中有128個(gè)不同的狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)用一個(gè)7位整型數(shù)來(lái)表達(dá)。實(shí)際上，有一個(gè)狀態(tài)的索引（）對(duì)應(yīng)著LPS的最小概率值，但它并沒(méi)有被納入CABAC的概率估計(jì)和更新的范圍，這個(gè)值被用作特殊的場(chǎng)合，傳達(dá)特殊的信息。比如，當(dāng)解碼器檢測(cè)到當(dāng)前區(qū)間的劃分依據(jù)是這個(gè)概率值時(shí)，認(rèn)為這表示當(dāng)前流的結(jié)束。因此只有126個(gè)有效概率狀態(tài)。另外，有一個(gè)狀態(tài)的索引（）對(duì)應(yīng)LPS的最小概率值，它對(duì)應(yīng)的更新值是它自身，當(dāng)MPS連續(xù)出現(xiàn)，LPS的概率持續(xù)減小，直到，保持不變。[7]概率估計(jì)指的是上下文的更新，因此只發(fā)生在編碼不同塊中同一句法元素或者其它上下文發(fā)生改變的時(shí)候，它是通過(guò)在LPS的64個(gè)概率狀態(tài)之間互相轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一個(gè)給定概率狀態(tài)，概率的更新取決于狀態(tài)索引和已經(jīng)編碼的符號(hào)值（MPS or LPS）。更新過(guò)程導(dǎo)致一個(gè)新的概率狀態(tài)，潛在的LPS概率修正，如果有必要需要修改MPS的值。如果當(dāng)state＝0時(shí)，輸入的是一個(gè)小概率符號(hào)LPS，那么MPS和LPS就要互換，因?yàn)閟tate＝0時(shí)，Plps＝。在I片中，有： if(decision==MPS) statenext_state_MPS_intra(state) else statenext_state_LPS(state)在其他片中，有： if(decision==MPS) statenext_state_MPS (state) else statenext_state_LPS(state) 算術(shù)編碼器的總體描述CABAC編碼器由兩個(gè)子編碼器組成，一個(gè)用于常規(guī)編碼模式，另一個(gè)稱為旁路編碼器用于符號(hào)的快速編碼。下面對(duì)常規(guī)編碼器具體的編碼過(guò)程進(jìn)行描述，編碼過(guò)程必須與后面介紹的譯碼過(guò)程相匹配（，沒(méi)給出具體的編碼流程，下面給出的是可參考的編碼流程，必須與譯碼流程匹配）首先是編碼器的初始化該過(guò)程是發(fā)生在編碼片的第一個(gè)宏塊之前，在編碼I_PCM宏塊的數(shù)據(jù)元素pcm_alignment_zero_bit和所有pcm_byte數(shù)據(jù)之后的。此過(guò)程中，輸出的是算術(shù)編碼器中的相關(guān)參數(shù)，區(qū)間下限codILow設(shè)置為0，區(qū)間長(zhǎng)度codIRange設(shè)置為0x01FE，另外的firstBitFlag設(shè)置為1，計(jì)數(shù)器（用于防止相關(guān)寄存器溢出）bitsOutstangding和symCnt都被設(shè)置為0。編碼決定此過(guò)程輸入的是Binval（語(yǔ)法元素經(jīng)過(guò)二進(jìn)制化后的值），context_id（上下文模型）和編碼器的環(huán)境codirange，codilow和symCnt，輸出的值是codirange，codilow和symCnt。該過(guò)程可以分為4個(gè)步驟（1）通過(guò)當(dāng)前編碼器區(qū)間范圍codiRange計(jì)算Qi的索引值i，然后利用狀態(tài)索引（由上下文模型得到）和i進(jìn)行查表得出Rlps的概率。（2）根據(jù)要編碼的符號(hào)是否MPS來(lái)更新算術(shù)編碼中的概率區(qū)間下限和概率區(qū)間范圍。（3）上下文模型概率狀態(tài)的更新（參考前文）（4）重整化處理，具體操作在后文給出。 基于查表的算術(shù)編碼器流程重整化處理在區(qū)間劃分結(jié)束后，如果新的區(qū)間范圍R不在合法范圍[28, 29]之內(nèi)，那么就需要進(jìn)行重整化操作，輸出1位或多位。其中用到的PutBit程序。 重整化操作流程圖 重整化中的PutBit程序旁路編碼模式為了加快符號(hào)編碼，假設(shè) ，則常規(guī)算術(shù)編碼過(guò)程得到了簡(jiǎn)化。首先，概率估計(jì)和更新過(guò)程的旁路被建立；其次間隔細(xì)分被執(zhí)行。 旁路編碼流程最后，編碼完片內(nèi)所有宏塊的句法元素后，寫入end_of_slice_flag的標(biāo)志，然后進(jìn)行字節(jié)壓縮，在編碼完一幅圖像的所有元素后，所有輸出的二進(jìn)制位都會(huì)進(jìn)行封裝，成為適合NAL層的傳輸單位。第三章 。在encode_one_frame函數(shù)中，根據(jù)當(dāng)前圖像使用的是幀模式還是場(chǎng)模式，進(jìn)一步選擇field_picture函數(shù)與frame_picture函數(shù)。這兩個(gè)函數(shù)中都使用到code_a_picture函數(shù)來(lái)對(duì)編碼一個(gè)圖像。算術(shù)編碼是對(duì)整個(gè)流分配碼字，但考慮到如果有某個(gè)比特丟失，編碼和解碼將會(huì)發(fā)生錯(cuò)位。為了將差錯(cuò)控制在一定的范圍內(nèi)，CABAC將片（Slice）作為算術(shù)編碼的生命期。[7]因此，在code_a_picture函數(shù)中。上述函數(shù)均為基于片以上的操作。 而基于片上的操作。 （symbol_mode = CABAC）進(jìn)行分析，其中：。另外，當(dāng)中涉及到的主要函數(shù)，包括main函數(shù)、encode_one_frame函數(shù)、frame_picture函數(shù)、code_a_picture函數(shù)、encode_one_slice函數(shù)以及encode_one_macroblock函數(shù)，它們的具體流程圖見(jiàn)附錄。 。 encode_one_slice函數(shù)分析int encode_one_slice (int SliceGroupId, Picture *pic)主要功能：編碼一個(gè)片。，對(duì)一個(gè)新片的各種參數(shù)進(jìn)行初始化，同時(shí)給已編碼的片分配空間。其中，并傳遞至緩存，同時(shí)返回碼字的長(zhǎng)度。，設(shè)置各上下文模型的編號(hào)。（）來(lái)產(chǎn)生一個(gè)片頭，并返回相應(yīng)的長(zhǎng)度（len = start_slice ()）。由于編碼長(zhǎng)度的更新，需要對(duì)各部分的碼率控制以及統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行相應(yīng)的更新。然后，只要沒(méi)有到達(dá)片的末端（end_of_slice = FALSE），都會(huì)不斷對(duì)片中的各個(gè)宏塊進(jìn)行編碼。這個(gè)編碼宏塊的過(guò)程，主要使用的函數(shù)包括：（）（對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行初始化），（）（對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行編碼），（）（把句法元素傳遞到NAL），terminate_macroblock函數(shù)（結(jié)束當(dāng)前宏塊的處理過(guò)程）與proceed2nextMacroblock函數(shù)（更新坐標(biāo)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)以準(zhǔn)備下一宏塊的處理）。（）來(lái)結(jié)束一個(gè)片的處理過(guò)程（但并不輸出），并且返回已編碼的宏塊個(gè)數(shù)NumberOfCodedMBs。 start_slice函數(shù)分析int start_slice()主要功能：產(chǎn)生片頭。最后。其中，（）來(lái)初始化預(yù)定義的概率狀態(tài)。 terminate_slice函數(shù)分析int terminate_slice()主要功能：終止一個(gè)片的處理過(guò)程。，（）進(jìn)行算術(shù)編碼。接著。最后。 。 start_macroblock函數(shù)分析void start_macroblock(int mb_addr, int mb_field)主要功能：對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行初始化對(duì)宏塊編碼符號(hào)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化（currMBcurrSEnr=0）。（）來(lái)檢查鄰居宏塊是否可用，并在當(dāng)前宏塊中分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的指針。重置宏塊的輸入句法元素（currMBmb_type = 0, currMBcbp_blk = 0, currMB cbp = 0, currMBcbp_bits = 0等）。 write_one_macroblock函數(shù)分析void write_one_macroblock (int eos_bit)主要功能：把句法元素傳遞到NAL。如果當(dāng)前宏塊不是片中的第一個(gè)宏塊。把CABAC編碼標(biāo)記cabac_encoding置為1。 （）來(lái)編碼宏塊頭。 （）來(lái)編碼運(yùn)動(dòng)信息。 （）來(lái)編碼當(dāng)前宏塊的塊編碼模式，量化參數(shù)差值與亮度系數(shù)。（）來(lái)編碼色度系數(shù)。把CABAC編碼標(biāo)記cabac_encoding置為0。 writeMBHeader函數(shù)分析int writeMBHeader (int rdopt)主要功能：編碼宏塊頭。如果是在I片中（imgtype = I_SLICE）， CABAC函數(shù)（）對(duì)宏塊的自適應(yīng)幀/場(chǎng)模式信息進(jìn)行編碼（currSEvalue1 = currMBmb_field, currSEwriting = writeFieldModeInfo_CABAC）。（currSEvalue1 = MBType2Value (currMB)），（）對(duì)當(dāng)前宏塊的宏塊類型進(jìn)行編碼。如果是在其他類型的片中，只要使用CABAC編碼，進(jìn)行如下處理：（mb_type = MBType2Value (currMB), currSEvalue1 = mb_type）， CABAC函數(shù)（）對(duì)宏塊跳過(guò)標(biāo)記進(jìn)行編碼。后面同樣對(duì)宏塊的自適應(yīng)幀/場(chǎng)模式信息以及當(dāng)前宏塊的宏塊類型進(jìn)行編碼，編碼過(guò)程與I片中的相同。如果當(dāng)前宏塊的宏塊類型是8*8P宏塊（mb_type = P8x8），：*8塊類型轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的編碼值（currSEvalue1 = B8Mode2Value (currMBb8mode[i], currMBb8pdir[i])）， CABAC函數(shù)（）對(duì)8*8塊類型信息進(jìn)行編碼。接著，*8塊的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式進(jìn)行編碼（no_bits += writeIntra4x4Modes(1)）。其中， Mode_CABAC函數(shù)（）來(lái)進(jìn)行編碼。如果當(dāng)前宏塊是I4MB或者I16MB（currMBIntraChromaPredModeFlag = 1），（no_bits += writeChromaIntraPredMode()）。其中， CABAC函數(shù)（）來(lái)進(jìn)行編碼。最后返回編碼長(zhǎng)度no_bits。 writeMotionInfo2NAL函數(shù)分析int writeMotionInfo2NAL ()主要功能：編碼運(yùn)動(dòng)信息。如果有多個(gè)參考幀，要對(duì)當(dāng)前宏塊的參考圖像參數(shù)進(jìn)行編碼。其中，（currSEcontext = BType2CtxRef (mode)），（）對(duì)當(dāng)前宏塊的參考圖像參數(shù)進(jìn)行編碼。對(duì)前向與后向運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼。*8塊的運(yùn)動(dòng)矢量。其中，（）來(lái)進(jìn)行編碼。最后返回編碼長(zhǎng)度no_bit