CN102065297A - 一种mpeg-2到h.264的快速视频转码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其首先在MPEG-2原始视频的解码过程中，通过保存P帧中宏块的编码宏块类型、宏块的编码块模式及宏块中的4个8×8块的直流系数，然后根据保存的编码宏块类型和编码块模式，将所有P帧中的所有宏块分为五类性质不同的宏块，再在H.264编码过程中，只从跟宏块性质相关性比较大的编码模式中自适应地选择最佳编码模式对宏块进行编码，这种方法在保证视频质量下降较少、码率增加不多的前提下，大大减少了P帧中宏块编码的候选编码模式的个数，从而有效降低了H.264编码过程中的宏块编码模式选择的时间复杂度，降低了MPEG-2到H.264的视频转码时间，即提高了MPEG-2到H.264视频转码的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字视频信息转码技术，尤其是涉及一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法。
背景技术
目前，MPEG-2应用比较广泛，使用MPEG-2进行编码的视频资源较为丰富。随着多媒体技术的不断发展，视频编码技术得到飞速的进步。H.264是最近公布的新的编码标准，相比先前的编码标准，其性能优异、编码灵活多变、从低码率（如手机）到高码率（如高清电视）之间不同视频编码的应用需求都可以满足。如果能把现有的丰富的MPEG-2视频资源快速的转换成编码性能优异的H.264视频，则具有非常重要的应用意义。
视频转码的类型多种多样，按照结构主要分为两大类：像素域转码（Pixel-domain transcoder，PDT）和压缩域转码（Compressed-domain transcoder，CDT），CDT也可称为变换域转码。PDT是指对输入流进行完全解码得到像素域图像，在像素域进行转码，PDT有着实现灵活的特点，可以满足多种不同的转码需要，输出图像质量较高，但转码时需要做反离散余弦变换（IDCT）和离散余弦变换（DCT）计算，复杂度较高。CDT则不需要完全解码，而是在变换域中进行转码，CDT是直接处理压缩域系数，减少重新编码的计算量，但其不能使用环内滤波（In-loop filtering）来消除块效应，这会导致转码后输出图像的主观质量下降；另一方面，由于MPEG-2编码标准和H.264编码标准之间的差别比较大（如：MPEG-2采用8×8DCT变换，而H.264采用的是4×4整数DCT变换），在变换域把MPEG-2编码的视频转换成H.264是比较困难的；此外，CDT实现框架不够灵活。
由于MPEG-2编码标准和H.264编码标准之间的差异性，因此目前很多文献中关于MPEG-2到H.264转码的方法大部分都是采用像素域转码结构。最直接的视频转码方法是级联转码，也即参考转码器，先将待转码的视频完全解码，然后对解码后的重构数据按新的编码格式再编码，这种方法能够得到最好的转码效果（率失真性能），但同时它也具有最高的复杂度，具有很大的时间开销，不适合实时系统等对时延要求比较高的应用场合。Gao Chen等人在《Proceeding MULTIMEDIA '04 Proceedings of the 12th annual ACM international conference on Multimedia》（《美国计算机协会第12届多媒体年会》）上发表的“Efficient block size selection for MPEG-2 to H.264 transcoding”（ “MPEG-2到H.264转码中高效的块尺寸选择算法” ）中，提出了一种MPEG-2到H.264转码的高效的可变块尺寸匹配模式选择算法，该算法利用MPEG-2码流中的运动信息来决定每个宏块（MB）的块尺寸模式，模拟实验显示该算法的视频质量跟级联像素域转码（参考转码器）的视频质量差不多，但是相对于参考转码器，该算法的转码时间只减少了20%，而码率却有所增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证视频质量下降较少、码率增加不多的前提下，能够有效减少视频转码时间的MPEG-2到H.264的快速视频转码方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其特征在于包括以下步骤：
①将MPEG-2编码的视频作为原始视频；
②将原始视频完全解码到像素域，得到像素域的视频；在原始视频的解码过程中，提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型、每个宏块的编码块模式及每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；
③根据保存的所有P帧的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，将所有P帧中的所有宏块分为五类性质不同的宏块，第一类宏块为运动矢量为零且没有编码的宏块，记为NoMC-Inter-NotCoded，第二类宏块为运动矢量为零且采用帧内编码的宏块，记为NoMC-Intra-Coded，第三类宏块为运动矢量为零且采用帧间编码的宏块，记为NoMC-Inter-Coded，第四类宏块为运动矢量大于零且没有编码的宏块，记为MC-Inter-NotCoded，第五类宏块为运动矢量大于零且采用帧间编码的宏块，记为MC-Inter-Coded；
④采用H.264编码标准对像素域的视频进行重新编码，得到H.264编码的视频；在H.264编码过程中，根据所有P帧中的五类性质不同的宏块及所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码。
所述的步骤④中自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码的具体过程为：
④-1、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第一类宏块NoMC-Inter-NotCoded，如果是，则选择SKIP编码模式作为该宏块的最佳编码模块，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-2；
④-2、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第二类宏块NoMC-Intra-Coded，如果是，则从Intra4×4和Intra16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-3；
④-3、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第三类宏块NoMC-Inter-Coded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-4；
④-4、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第四类宏块MC-Inter-NotCoded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-5；
④-5、对于当前P帧中当前正在处理的宏块为第五类宏块MC-Inter-Coded时，如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均为零，则认为该宏块处于平坦区域，并从SKIP和 Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有2个8×8块的直流系数均为零，则从Inter16×8和Inter8×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有1个8×8块或3个8×8块的直流系数为零，则从Inter16×16和Inter8×8两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均不为零，则认为该宏块处于细节区域，并遍历除Intra16×16编码模式外的所有编码模式，从中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码。
所述的步骤②的具体过程为：利用MPEG-2解码器对原始视频进行解码，在可变长解码时提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，并保存；在反量化后提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；再经反离散余弦变化、运动补偿后得到像素域的视频。
与现有技术相比，本发明的优点在于首先在MPEG -2原始视频的解码过程中，通过保存P帧中宏块的编码宏块类型、宏块的编码块模式及宏块中的4个8×8块的直流系数，然后根据保存的编码宏块类型和编码块模式，将所有P帧中的所有宏块分为五类性质不同的宏块，再在H.264编码过程中，只从跟宏块性质相关性比较大的编码模式中自适应地选择最佳编码模式对宏块进行编码，这种方法在保证视频质量下降较少、码率增加不多的前提下，大大减少了P帧中宏块编码的候选编码模式的个数，从而有效降低了H.264编码过程中的宏块编码模式选择的时间复杂度，降低了MPEG-2到H.264的视频转码时间，即提高了MPEG-2到H.264视频转码的效率。
相比参考转码器，本发明方法的视频质量和比特率变化很小，而转码时间显著减少，具体地说相比参考转码器，本发明方法在一定的比特率下，视频质量仅平均下降了0.163dB，而在一定的PSNR（视频质量）下，平均比特率仅增加了0.97%，而平均转码时间则下降了69.60%。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为P帧中的宏块可用的编码宏块类型；
图3a为分别用参考转码器和本发明方法对“coastguard” 测试视频进行视频转码后的率失真比较图；
图3b为分别用参考转码器和本发明方法对“container” 测试视频进行视频转码后的率失真比较图；
图3c为分别用参考转码器和本发明方法对“hall” 测试视频进行视频转码后的率失真比较图；
图3d为分别用参考转码器和本发明方法对“mobile” 测试视频进行视频转码后的率失真比较图；
图3e为分别用参考转码器和本发明方法对“news” 测试视频进行视频转码后的率失真比较图；
图4为分别用参考转码器与本发明方法对“coastguard”、“container”、“hall”、“mobile”和“news”测试视频进行转码（量化步长为25）后，两者在转码时间上的比较示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其使用像素域转码（PDT）结构，这是因为：第一，在变换域转码中，不能使用环内滤波（In-loop filtering）来消除块效应（因为环内滤波只能在像素域中使用），这会导致视频主观质量下降；第二，MPEG-2中的8×8反DCT变换和H.264中的4×4整数DCT变换的计算复杂度比H.264中的运动估计和宏块模式选择低得多。本发明方法包含两部分，即MPEG-2的解码部分和H.264的编码部分，首先将MPEG-2编码的视频完全解码到像素域，在此解码过程中，提取出MPEG-2编码的视频的所有P帧中的各个宏块的编码宏块类型（Coded Macroblock Type，CMT）、编码块模式（Coded Block Pattern，CBP）和每个宏块中的4个8×8块的直流系数（DC），并保存下来；然后把解码部分得到的像素域的视频用H.264编码标准进行重新编码，在H.264编码部分，对P帧中的宏块进行编码模式选择时，利用解码部分保存的编码宏块类型CMT、编码块模式CBP和每个宏块中的4个8×8块的直流系数DC自适应地选择编码模式作为宏块的最佳编码模式。本发明的快速转码方法的流程如图1所示，其主要包括以下步骤：
①将MPEG-2编码的视频作为原始视频。
②将原始视频完全解码到像素域，得到像素域的视频；在原始视频的解码过程中，提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型、每个宏块的编码块模式及每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；具体过程为：利用MPEG-2解码器对原始视频进行解码，在可变长解码（VLD，Variable Length Decoding）时提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，并保存；在反量化（（Qmpeg2）-1）后提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；再经反离散余弦变化（IDCTMPEG2）、运动补偿后得到像素域的视频。
③对于P帧中的宏块，有八种可用的编码宏块类型，如图2所示，MC和NoMC分别表示大于零的运动矢量存在和不存在，Inter和Intra分别表示使用和不使用时域预测，NotCoded表示宏块量化后的所有值为零，Coded表示宏块量化后有些值不为零，加有ChangedQP的编码宏块类型表示当前宏块的量化参数（QP）与先前宏块的不一样。本发明方法将这八种可用的编码宏块类型中的其它部分相同，多了ChangedQP的编码宏块类型看作是同一类型，因此根据保存的所有P帧的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，可将所有P帧中的所有宏块分为五类性质不同的宏块：第一类宏块为运动矢量为零且没有编码的宏块，记为NoMC-Inter-NotCoded（Skipped），视频中的背景或静止物体处的宏块属于此类；第二类宏块为运动矢量为零且采用帧内编码的宏块，记为NoMC-Intra-Coded，这类宏块属于新的物体，这个新的物体在参考帧中不存在；第三类宏块为运动矢量为零且采用帧间编码的宏块，记为NoMC-Inter-Coded，这类宏块处于有微小运动的物体中；第四类宏块为运动矢量大于零且没有编码的宏块，记为MC-Inter-NotCoded，这类宏块中没有块被编码，因为预测残差在量化后都变成了零，即只有运动矢量被编码；第五类宏块为运动矢量大于零且采用帧间编码的宏块，记为MC-Inter-Coded，视频中大部分宏块属于此类。
④采用H.264编码标准对像素域的视频进行重新编码，其H.264编码过程为：首先，根据所有P帧中的五类性质不同的宏块及所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码，再经过离散余弦变化（DCTH.264）、量化（QH.264）、可变长编码（VLD）后得到H.264编码的视频。
在此具体实施例中，自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码的具体过程为：
④-1、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第一类宏块NoMC-Inter-NotCoded，如果是，则选择SKIP编码模式作为该宏块的最佳编码模块，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-2；
④-2、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第二类宏块NoMC-Intra-Coded，如果是，则从Intra4×4和Intra16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-3；
④-3、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第三类宏块NoMC-Inter-Coded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-4；
④-4、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第四类宏块MC-Inter-NotCoded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-5；
④-5、对于当前P帧中当前正在处理的宏块为第五类宏块MC-Inter-Coded时，如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均为零，则认为该宏块处于平坦区域，只需考虑SKIP和 Inter16×16两种编码模式，即从SKIP和 Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有2个8×8块的直流系数均为零，则只需考虑Inter16×8和Inter8×16两种编码模式，即从Inter16×8和Inter8×16两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有1个8×8块或3个8×8块的直流系数为零，则只需考虑Inter16×16和Inter8×8两种编码模式，即从Inter16×16和Inter8×8两种编码模式中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均不为零，则认为该宏块处于细节区域，需考虑除Intra16×16编码模式外的所有编码模式，即需遍历除Intra16×16编码模式外的所有编码模式，从中选择使拉格朗日（Lagrange）代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码。
以下为对五个测试视频进行仿真，以客观地验证本发明方法的可行性和有效性。
使用五个CIF格式的测试视频对参考转码器（MPEG-2 TM5解码器+H.264 JM 10.2编码器）和本发明方法进行仿真，这五个测试视频分别为：coastguard、container、hall、mobile和news，每个测试视频均有300帧。图3a、图3b、图3c、图3d和图3e分别给出了分别用参考转码器和本发明方法对“coastguard”、“container”、“hall”、“mobile”和“news”测试视频进行转码后，两者在比特率和视频质量（PSNR（Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比）值）上的比较结果，即率失真性能比较；从图3a至图3e可以看出，两者在比特率相同时，两者视频质量（PSNR值）几乎差不多；两者视频质量相同时，编码后的比特率相差不大。
图4给出了分别用参考转码器与本发明方法对“coastguard”、“container”、“hall”、“mobile”和“news”测试视频进行转码（量化步长为25）后，两者在转码时间上的比较结果。从图4中可以看出，相比参考转码器，本发明方法的转码时间显著减少。
综上，相比参考转码器，本发明方法的视频质量和比特率变化很小，而转码时间显著减少，具体地说相比参考转码器，本发明方法在一定的比特率下视频质量平均下降0.163dB，而在一定的PSNR（视频质量）下，平均比特率增加0.97%，平均转码时间则下降了69.60%。
Claims (3)
1.一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其特征在于包括以下步骤：
①将MPEG-2编码的视频作为原始视频；
②将原始视频完全解码到像素域，得到像素域的视频；在原始视频的解码过程中，提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型、每个宏块的编码块模式及每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；
③根据保存的所有P帧的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，将所有P帧中的所有宏块分为五类性质不同的宏块，第一类宏块为运动矢量为零且没有编码的宏块，记为NoMC-Inter-NotCoded，第二类宏块为运动矢量为零且采用帧内编码的宏块，记为NoMC-Intra-Coded，第三类宏块为运动矢量为零且采用帧间编码的宏块，记为NoMC-Inter-Coded，第四类宏块为运动矢量大于零且没有编码的宏块，记为MC-Inter-NotCoded，第五类宏块为运动矢量大于零且采用帧间编码的宏块，记为MC-Inter-Coded；
④采用H.264编码标准对像素域的视频进行重新编码，得到H.264编码的视频；在H.264编码过程中，根据所有P帧中的五类性质不同的宏块及所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码。
2.根据权利要求1所述的一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其特征在于所述的步骤④中自适应地选择最佳编码模式对像素域的视频的所有P帧中的各个宏块进行编码的具体过程为：
④-1、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第一类宏块NoMC-Inter-NotCoded，如果是，则选择SKIP编码模式作为该宏块的最佳编码模块，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-2；
④-2、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第二类宏块NoMC-Intra-Coded，如果是，则从Intra4×4和Intra16×16两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-3；
④-3、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第三类宏块NoMC-Inter-Coded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-4；
④-4、判断当前P帧中当前正在处理的宏块是否为第四类宏块MC-Inter-NotCoded，如果是，则从SKIP和Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码，否则，执行步骤④-5；
④-5、对于当前P帧中当前正在处理的宏块为第五类宏块MC-Inter-Coded时，如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均为零，则认为该宏块处于平坦区域，并从SKIP和 Inter16×16两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有2个8×8块的直流系数均为零，则从Inter16×8和Inter8×16两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中有1个8×8块或3个8×8块的直流系数为零，则从Inter16×16和Inter8×8两种编码模式中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码；如果该宏块中的4个8×8块的直流系数均不为零，则认为该宏块处于细节区域，并遍历除Intra16×16编码模式外的所有编码模式，从中选择使拉格朗日代价函数最小的编码模式作为该宏块的最佳编码模式，利用最佳编码模式对该宏块进行编码。
3.根据权利要求1或2所述的一种MPEG-2到H.264的快速视频转码方法，其特征在于所述的步骤②的具体过程为：利用MPEG-2解码器对原始视频进行解码，在可变长解码时提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块的编码宏块类型和编码块模式，并保存；在反量化后提取出原始视频的所有P帧中的每个宏块中的4个8×8块的直流系数，并保存；再经反离散余弦变化、运动补偿后得到像素域的视频。
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