【摘要】：HEVC(High Efficiency Video Coding,高效視頻編碼)作為最新一代的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),在人們的生產(chǎn)和生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因?yàn)闊o損壓縮編碼能夠不改變視頻質(zhì)量,所以在視頻監(jiān)控、醫(yī)學(xué)影像及自動駕駛等領(lǐng)域具有十分重要的作用。由于壓縮過程復(fù)雜度高、計(jì)算量大,壓縮效果不夠理想,傳統(tǒng)的HEVC無損壓縮編碼在低帶寬、低延時(shí)和低開銷等實(shí)際應(yīng)用中仍存在問題。為了提高HEVC無損壓縮編碼的壓縮率和編碼速度,降低參考幀的傳輸開銷,本文針對HEVC無損壓縮編碼中的幀內(nèi)編碼、幀間運(yùn)動估計(jì)以及參考幀壓縮算法進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下:首先,基于DWT(Discrete Wavelet Transform,離散小波變換)的HEVC無損幀內(nèi)壓縮方法研究。針對空間域上的像素分布不集中導(dǎo)致的HEVC無損幀內(nèi)壓縮效果不夠理想的問題,本文在傳統(tǒng)的HEVC無損幀內(nèi)壓縮編碼的結(jié)構(gòu)中,引入離散小波變換。將圖像由空間域變換到頻域上,然后對頻域系數(shù)進(jìn)行預(yù)測和編碼。對其中分布更集中的高頻系數(shù)區(qū)域進(jìn)行壓縮后,可以獲得更低的壓縮碼率和更小的編碼單元劃分深度以及更少的編碼計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)表明,與現(xiàn)有的優(yōu)化方法相比,引入小波變換后的HEVC無損幀內(nèi)壓縮編碼能夠同時(shí)提高無損壓縮編碼的壓縮率和編碼速度。其次,幀內(nèi)編碼單元劃分和模式選擇快速算法研究。針對引入離散小波變換后,HEVC無損幀內(nèi)壓縮的編碼時(shí)間節(jié)省有限的問題,本文利用紋理檢測的方法對編碼單元的紋理方向和內(nèi)容復(fù)雜度進(jìn)行評估,縮小模式選擇和深度劃分候選范圍。由于高頻子帶區(qū)域的變換系數(shù)分布集中,并且具有顯著的方向特征,因此僅需檢測4個(gè)方向的紋理即可準(zhǔn)確評估編碼單元的系數(shù)變化方向和復(fù)雜度。根據(jù)紋理和復(fù)雜度評估結(jié)果對預(yù)測模式和劃分深度進(jìn)行篩選,降低了編碼過程的計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)合編碼單元劃分和預(yù)測模式選擇快速算法的基于DWT的HEVC無損幀內(nèi)壓縮編碼能夠節(jié)省近一半的編碼時(shí)間。再次,基于像素級自適應(yīng)預(yù)測的無損參考幀壓縮研究。為了解決傳統(tǒng)參考幀壓縮算法無法為每個(gè)像素進(jìn)行獨(dú)立預(yù)測的問題,本文為無損的參考幀壓縮設(shè)計(jì)了一種像素級的自適應(yīng)預(yù)測模式選擇算法。算法根據(jù)相鄰已重構(gòu)像素的相似性關(guān)系,對當(dāng)前像素與相鄰像素的相似性進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)相似性評估結(jié)果,自適應(yīng)地為當(dāng)前像素從水平預(yù)測、垂直預(yù)測和對角線預(yù)測3種模式中選擇最合適的預(yù)測模式。然后對預(yù)測殘差采用本文設(shè)計(jì)的Huffman編碼,生成壓縮碼流。同時(shí),為了滿足參考幀壓縮的隨機(jī)訪問需求,將編碼塊的尺寸設(shè)置為32×32。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與已有優(yōu)化算法相比,本文設(shè)計(jì)的算法能夠在相似的算法復(fù)雜度下,達(dá)到更好的參考幀壓縮效果。最后,基于運(yùn)動矢量預(yù)測準(zhǔn)確度的搜索范圍自適應(yīng)調(diào)整算法研究。針對幀間編碼中最耗時(shí)的運(yùn)動估計(jì)過程,為了適當(dāng)縮小搜索范圍,減少運(yùn)動估計(jì)的運(yùn)算時(shí)間,本文設(shè)計(jì)了對稱和非對稱式的自適應(yīng)搜索范圍調(diào)整算法。根據(jù)搜索范圍與運(yùn)動矢量預(yù)測準(zhǔn)確度的關(guān)系,算法將運(yùn)動矢量差作為運(yùn)動矢量預(yù)測準(zhǔn)確度的度量�；谶\(yùn)動矢量差與塊匹配誤差倍數(shù)的關(guān)系,利用當(dāng)前預(yù)測單元的上一層編碼塊的塊匹配誤差近似計(jì)算塊匹配誤差倍數(shù),得到當(dāng)前單元的運(yùn)動矢量差的估計(jì)值。對稱式調(diào)整直接利用運(yùn)動矢量差的估計(jì)作為水平和垂直方向的搜索范圍。而為了適應(yīng)物體在水平和垂直方向運(yùn)動強(qiáng)度不同的情況,算法又參考相鄰已編碼單元,根據(jù)運(yùn)動和內(nèi)容相似性,結(jié)合運(yùn)動矢量預(yù)測準(zhǔn)確度,定義了相似性系數(shù)和伸縮系數(shù),得到計(jì)算權(quán)重。利用相鄰已編碼單元的運(yùn)動矢量差及計(jì)算權(quán)重,自適應(yīng)地對水平和垂直方向的搜索范圍進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。而對于相鄰單元信息缺失較多的情況,采用對稱式搜索范圍調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。最后對算法的編碼性能進(jìn)行評估,實(shí)驗(yàn)表明本文的算法能夠準(zhǔn)確評估預(yù)測單元的搜索范圍,在碼率沒有明顯變化的情況下,顯著降低編碼時(shí)間。本文通過對無損HEVC的幀內(nèi)編碼、參考幀壓縮以及幀間編碼中運(yùn)動估計(jì)的搜索范圍進(jìn)行優(yōu)化,提高了無損幀內(nèi)編碼的壓縮效率,節(jié)省了幀內(nèi)和幀間編碼的計(jì)算時(shí)間,降低了幀間編碼過程中的傳輸和存儲開銷,提高了HEVC無損壓縮的編碼效率。
【圖文】：

圖 1-1 HEVC 的混合編碼框架[13]Fig. 1-1 Hybrid structure of HEVC encoding[13]1. 改進(jìn)幀內(nèi)無損編碼幀內(nèi)壓縮在編碼過程中只考慮一幅圖像內(nèi)部的相關(guān)性，利用幀內(nèi)預(yù)測算法去除圖像內(nèi)部的空間冗余。由于不需要考慮視頻序列中的幀間相關(guān)性，幀內(nèi)編碼可以省略復(fù)雜的幀間搜索過程，能夠大大節(jié)省編碼時(shí)間，使視頻的實(shí)時(shí)編碼成為可能。然而，壓縮后的視頻中仍殘留部分冗余，所以壓縮效果也不盡如人意。介于此，幀內(nèi)無損壓縮還有很大的優(yōu)化空間，進(jìn)一步提高壓縮率，并且可以改進(jìn)算法以提升編碼速度。2. 對參考幀進(jìn)行無損壓縮幀間編碼過程，由于考慮了視頻序列的幀間相關(guān)性，可以有效地去除時(shí)間冗余，達(dá)到很高的壓縮比。但是幀間編碼過程的計(jì)算和資源開銷非常高，除了幀間編碼本身的高復(fù)雜度以外，已編碼幀需要被保存下來作為當(dāng)前幀進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)的參考幀。在進(jìn)行 HEVC 編解碼系統(tǒng)的搭建時(shí)，由于參考幀數(shù)據(jù)量巨大，，為了減小編解碼器的資源消耗，參考幀一般會被存放于片外存儲器上。因此，存儲資源的消耗，以及片外存儲器的訪問帶寬和功耗都成為了限制 HEVC 在實(shí)

第 1 章 緒 論具有更明顯的優(yōu)勢；在不同的碼率下，HEV率下，JPEG2000 能夠取得更好的壓縮效果.264。而對于無損壓縮的情況，由于當(dāng)時(shí) H JPEG2000 和 JPEG LS 具有較大的差距。，人們發(fā)現(xiàn)提高預(yù)測準(zhǔn)確率可以有效地減[20]中，由于作者發(fā)現(xiàn)預(yù)測精度隨著參考像故提出了一種 SDIP（Short Distance Intra 模式。該模式將正方形的預(yù)測單元進(jìn)一步圖 1-2 所示，有效減小了參考像素與待預(yù)測該算法能夠有效的提高 HEVC 的壓縮比�；谙袼氐慕嵌阮A(yù)測方法 SAP（Sample-b素的角度幀內(nèi)預(yù)測），這種方法采用了與模式進(jìn)行插值計(jì)算。但是為了更精確的對已重構(gòu)像素作為插值參考。該算法在 AI-M HEVC 無損壓縮編碼相比平均能夠減少 8
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN919.81

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3 武曉s

本文編號：2707301