【摘要】：隨著社會需求的增長,視頻分辨率正從720P/1080P向2K/4K發(fā)展,且視頻幀率也有提高的趨勢。除了分辨率及幀率,視頻的實(shí)時(shí)性也有著很高的需求度。上述需求對視頻壓縮算法提出了更高的要求,現(xiàn)主流的H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)已力不從心,而新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)HEVC(High Efficiency Video Coding,高效視頻編碼)相較于H.264壓縮率提高了40%-50%,它將肩負(fù)起下一代視頻壓縮的重任。HEVC有著提升明顯的壓縮效率,但算法的復(fù)雜度也大大增加。其中,幀內(nèi)預(yù)測部分的算法復(fù)雜度提升是很重要的一個(gè)因素。因此,幀內(nèi)預(yù)測的算法優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。幀內(nèi)預(yù)測的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩方面,一是預(yù)測單元的劃分,HEVC的預(yù)測單元有4×4至64×64共5種可劃分尺寸,而H.264的預(yù)測單元僅有4×4和16×16兩種。二是HEVC為每個(gè)預(yù)測單元定義了35種幀內(nèi)預(yù)測模式,而H.264的幀內(nèi)預(yù)測模式僅有9種。因此,HEVC幀內(nèi)預(yù)測部分的優(yōu)化可從這兩方面入手。本文的主要研究內(nèi)容包括:HEVC幀內(nèi)預(yù)測算法優(yōu)化及優(yōu)化算法的FPGA實(shí)現(xiàn)。1.算法優(yōu)化層面:采用“sobel+SATD(Sum of Absolute Transformed Difference,hadamard變換后的絕對誤差和)”進(jìn)行決策。首先利用基于sobel算子的梯度算法決策出預(yù)測單元劃分以及最佳角度預(yù)測模式。再利用SATD代價(jià)函數(shù)對最佳角度預(yù)測模式、DC模式、Planar模式進(jìn)行判斷,從而獲得最優(yōu)預(yù)測模式。2.FPGA實(shí)現(xiàn)層面:采用“多層流水線+并行處理單元”硬件架構(gòu)。利用多層流水線優(yōu)化幀內(nèi)預(yù)測各步驟的運(yùn)行時(shí)序,同時(shí)利用并行處理單元加速像素梯度以及方向變化率的計(jì)算。正確實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法的同時(shí),大大提高了幀內(nèi)預(yù)測環(huán)節(jié)的計(jì)算速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)能夠滿足2K@31fps或1080P@62fps的視頻編碼任務(wù)。相對于HM16.7,本設(shè)計(jì)在保證圖像質(zhì)量及壓縮率的同時(shí),幀內(nèi)預(yù)測運(yùn)行時(shí)間減小約33.44%。相對于其他幀內(nèi)預(yù)測優(yōu)化方案,本方案在幀內(nèi)預(yù)測準(zhǔn)確度及計(jì)算速度上有著更好的效果。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN919.81
【圖文】：

1.1 研究背景及意義當(dāng)今社會，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們生活需求的提高，視頻相關(guān)應(yīng)用在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。視頻電話會議，電視盒子，在線教育，游戲娛樂等種類繁多的視頻應(yīng)用在我們生活中隨處可見，并且為我們的生活帶來了前所未有的便捷與高效。自上世紀(jì) 80 年代 IBM 發(fā)布第一個(gè)彩色圖形標(biāo)準(zhǔn)（CGA）[1]以來，短短的三十多年間，視頻圖像分辨率從最初的 320×200，發(fā)展到后來的 720p 及 1080p。而現(xiàn)在，4K 時(shí)代已然來臨，各類 4K 視頻設(shè)備如雨后春筍般出現(xiàn)。甚至可以預(yù)見，在不久的將來，8K 視頻也將成為各類視頻設(shè)備的標(biāo)配。（視頻分辨率的發(fā)展進(jìn)程如圖 1-1 所示）。除了分辨率的大幅度提升之外，視頻幀率也有了長足的進(jìn)步。之前視頻的主流幀率為30fps 60fps，而如今在許多場景，如電影，體育轉(zhuǎn)播中，已經(jīng)能看到 120fps 的視頻。同時(shí)，在視頻會議，視頻直播等應(yīng)用場景中，視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性也是非常重要的一項(xiàng)需求。

鑒于 HEVC 出色的性能，其必將成為日后主流的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，并將會對生活中各項(xiàng)視頻應(yīng)用帶來質(zhì)的提升：屏幕更大，畫質(zhì)更清晰，傳輸耗時(shí)更短，占用空間更小。綜上，對 HEVC 展開研究是勢在必行的任務(wù)。1.2 HEVC 幀內(nèi)預(yù)測研究現(xiàn)狀研究一項(xiàng)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮的性能指標(biāo)有許多。誠然，壓縮率是很重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，畢竟我們使用壓縮算法的根本目的就是將視頻流壓縮至便于傳輸和存儲的碼率。但除了壓縮率之外，我們還需要考慮其他性能指標(biāo)，如壓縮后的圖像質(zhì)量，壓縮耗時(shí)，壓縮成本，壓縮算法復(fù)雜度等。不幸的是，這些性能并不是可以同時(shí)的滿足的，它們往往是相互矛盾的。如果要壓縮率高，則圖像質(zhì)量往往較差；而若要求壓縮率以及圖像質(zhì)量都高，則壓縮耗時(shí)以及算法復(fù)雜度又會增加（如圖 1-3 所示）。因此，所謂視頻壓縮算法的研究即在這些性能指標(biāo)中尋找到一種平衡，或者在側(cè)重某一性能指標(biāo)的同時(shí)保證其余性能指標(biāo)在可接受的范圍內(nèi)。

有一個(gè)特征：內(nèi)容變化緩慢區(qū)域(低頻區(qū)域)占據(jù)一高頻區(qū)域)則占小部分，但高頻部分的數(shù)據(jù)量卻要比高頻部分可能數(shù)據(jù)量占比多達(dá) 50%。因此我們可以縮編碼的目的[33]。變換過程就是為了達(dá)到這個(gè)目的后，將低頻與高頻數(shù)據(jù)分離開，去除了它們之間的作。，一個(gè) 8×8 的圖像經(jīng) DCT 變換后得到如下矩陣，坐標(biāo)，v 為縱向坐標(biāo)。可以看到高頻部分（u,v 值較（u,v 值較小區(qū)域）c 的絕對值較大，說明圖像的息量較少的高頻部分，可利用后續(xù)的量化操作進(jìn)行

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2758704