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基于宏块运动信息的快速模式选择算法

李鹏飞，刘文予，韦耿，周刚
华中科技大学电子与信息工程系，武汉(430074)
E-mail：[e-mail]
摘要：H.264对变块大小运动估计采用全模式搜索的方法，极大地增加了编码的计算复杂
度，针对这一问题本文提出一种快速帧间宏块模式选择算法。首先搜索当前帧间宏块内16
个4×4块的运动矢量，获取当前宏块的运动信息，再据此确定分块模式，完成后续编码。该
算法通过计算率失真代价函数，有效地利用了当前宏块的运动信息，能更简单有效地选择分
块模式。实验结果表明，该算法结合快速运动估计算法，在保持与全模式搜索相近编码性能
的同时，可节省编码时间70%以上。
关键词：模式选择，H.264，运动信息，几何结构

1．引言
最新视频编码标准H.264采用了很多新的编码技术来提高编码性能。和以前的标准相比，
在同等编码质量条件下，H.264可以节约大约50%的码率[1]。但这些技术也极大地增加了编
码的计算复杂度，特别是在帧间宏块的模式选择和运动估计模块。
对帧间宏块，H.264定义了7种编码模式，包括SKIP模式、4种帧间预测模式、以及2种
帧内预测模式。如图1所示，在JM参考软件中，编码器依次遍历7种编码模式，并对其中的4
种帧间模式进行精确地运动估计，选出率失真代价函数最小的模式作为最优分块模式，从而
导致整个编码的计算量非常大。虽然JM参考软件提供了一种快速运动估计算法(FME)来提高
单个运动估计的搜索速度，但模式选择仍需遍历7种模式，整体的计算量仍很大。因此，研
究模式选择的快速算法成为了一个热点问题。

图1H.264模式选择算法
Fig1themodedecisionalgorithmofH.264

1本课题得到国家自然科学基金《无线移动环境下复杂度可分级联合功率率失真模型》（No:60572063）；
教育部博士点基金《广义率失真理论及在无线通信中的应用》（No:20040487009）的资助。

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目前，针对H.264快速模式选择方法已有不少的研究成果[2~5]。总体而言，这些方法可以
分为两类，一是用周围已编码宏块的模式来预测，二是用当前宏块的内部信息来判断。用周
围宏块预测的方法[2]，只能减少候选模式的个数，并不能有效地降低计算量，不是本文研究
的重点。用宏块内部信息判断的方法[3][4][5]，由于考虑了当前宏块的运动和纹理特征，因而
能够更准确地判断分块模式。其思想主要有：预先判断是否选用SKIP模式，判断是否将大
块分裂或者将小块合并，剔除部分可选模式等。
上述方法通常设定了多个分支，根据相应的阈值来选择分块模式。但预先设定的阈值却
很难适应变化的视频内容，判断容易出错，进而影响编码性能。本文提出一种帧间宏块的快
速模式选择算法，将当前宏块内4×4块的运动矢量作为候选运动矢量，采用率失真代价函数
而非阈值作为判断准则，先选出最优的大分块方式（16×16、16×8、8×16、以及8×8），再
根据需要计算最优的小分块方式。由于代价函数综合反映了当前宏块内部的运动和纹理信
息，因此模式选择更准确；而采用4×4块的运动矢量作为候选运动矢量来计算代价函数，避
免了对每种帧间预测模式的运动估计，大大降低了编码的计算复杂度。
本文内容安排如下：第2节介绍并分析本文提出的算法；第3节给出并解释实验结
果；第4节是结论。

图2文献[6]算法流程图
Fig2theflowchartofthereferencepaper[6]

2．提出算法
文献[6]指出宏块内16个4×4块运动矢量的分布与最优分块模式间有很强的对应关系，
并且最优分块模式所对应的运动矢量有很大概率出现在这16个运动矢量中，据此提出了一
种通过4×4块的运动矢量直接判断分块模式的方法，其算法流程如图2所示。但文献[6]认为

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只在大分块方式选择了8×8模式时才计算小分块方式，而8×8模式不一定是最优的小分块
方式，因此会造成分块模式的误判，影响编码性能；文献[6]还认为在计算小分块方式时不需
再计算8×8模式的代价函数，而实际上在大分块方式选择时，8×8模式的代价函数只是由少
数几个候选的4×4块运动矢量计算得到，并非8×8模式最小的代价函数，故仍需通过运动
估计得到。

2.1理论分析
针对文献[6]中存在的不足，本文从分块模式的几何结构出发，提出一种改进的模式选择
算法。
首先将帧间预测模式分为大分块方式（16×16、16×8、8×16、以及8×8）和小分块方式
（8×8、4×8、8×4、以及4×4