【摘要】：隨著科技的進步,通信與多媒體技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。其中,視頻是信息占有量最大且最為常用的交流媒介。現(xiàn)實生活中,有限的存儲空間和傳輸帶寬使得人們需要對視頻先進行編碼壓縮,再進行保存和傳輸。新一代視頻編碼技術(shù)(High Efficiency Video Coding,HEVC)相比于前一代視頻編碼標準H.264/AVC,具有更高的壓縮性能。但是,如何高效地利用傳輸帶寬,依然是研究的重點和難點。碼率控制是實現(xiàn)壓縮視頻在有限帶寬中傳輸?shù)年P鍵技術(shù),其主要目的就是在給定的碼率下,盡可能高地還原重建視頻的質(zhì)量。在HEVC標準中,采納了一種λ域的碼率控制算法,該算法將拉格朗日參數(shù)l作為控制碼率的主要因素,并通過自適應的碼率分配和參數(shù)更新來計算拉格朗日參數(shù)λ,但是這樣并不能選擇最優(yōu)的l進行編碼。另外,在特殊場景下,碼率的分配方案和λ的選擇策略也需要進一步的研究。本文主要從人類視覺特性、監(jiān)控視頻特點和最優(yōu)λ選擇三個方面對碼率控制算法進行研究,從而可以更加合理有效地利用帶寬資源,提高編碼性能。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果包括:(1)根據(jù)空-時域視覺敏感度對碼率進行分配。首先,在空間域上,根據(jù)人類視覺對圖像中不同的紋理具有不同的敏感程度,采用恰可感知失真(Just Noticeable Distortion,JND)模型獲得一幀圖像的最大失真。通過圖像的最大失真可以得到每個編碼樹單元(Coding Tree Unit,CTU)最大失真度,從而獲取空域圖像中每個CTU的敏感度權(quán)重。然后,在時域上,根據(jù)幀間差值對幀級的碼率進行分配,為變化較為明顯的幀進行較高質(zhì)量的編碼,這樣利于提高主觀感受。與此同時,利用幀差方法,獲得時域連續(xù)幀中引起視覺自底向上的關注區(qū)域,并根據(jù)差值計算每個CTU在時域上的敏感度權(quán)重。最后,結(jié)合空域和時域的敏感權(quán)重因子,將碼率更加合理地分配到每幀和每個CTU上。實驗結(jié)果表明,該碼率分配策略可以有效地提高編碼的主觀質(zhì)量,同時保持較高的碼率控制精度。(2)針對監(jiān)控視頻特性,提出一種分離式最優(yōu)λ選擇算法。首先,利用低復雜度像素級分割方法獲取監(jiān)控視頻的前景和背景。根據(jù)監(jiān)控視頻背景長時間保持不變、而前景主要由于幀間對應像素變化引起這一特點,利用時域上連續(xù)四幀,差分得到一幀中的前景像素和背景像素。由于前景像素都較為集中,所以可以獲取前景CTU和背景CTU。然后,根據(jù)實驗結(jié)果,可以得到前景和背景的率失真特性不同但都滿足雙曲線模型。推導前景與背景區(qū)域的率失真優(yōu)化,得出前景CTU和背景CTU的拉格朗日參數(shù)均值需要等于當前幀的拉格朗日值。通過對前景或背景當前編碼CTU的拉格朗日參數(shù)進行區(qū)域限制,使得兩個區(qū)域的拉格朗日參數(shù)均值逐漸趨近于當前幀的拉格朗日參數(shù)值。最后,對于前景與背景區(qū)域的碼控參數(shù)分別進行更新,使得更新參數(shù)更加符合兩個區(qū)域的變化特點。實驗結(jié)果顯示,該算法在保持高碼控精度的前提下,有效地提高了前景區(qū)域的編碼質(zhì)量,同時對整體的編碼質(zhì)量也有所提升。(3)本文在Low Delay模式下,對多級拉格朗日參數(shù)進行最優(yōu)選擇。首先,實驗得到運動補償預測誤差(Motion Compensation Prediction Error,MCPE)與幀級碼率的近似線性關系,并根據(jù)這個近似線性關系,對幀級碼率進行分配。然后,將序列級的率失真優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對所有GoP(Group of Picture)組的率失真優(yōu)化。在對GoP組的率失真優(yōu)化過程中,可以得到GoP組的拉格朗日參數(shù)與幀級拉格朗日參數(shù)關系,通過計算獲取幀間的拉格朗日參數(shù)最優(yōu)比例。最后,對幀級進行率失真優(yōu)化,推導出當前幀中CTU的拉格朗日參數(shù)均值需要等于當前幀的拉格朗日參數(shù)值。所以利用區(qū)間限制方法,使得幀中已編碼CTU的拉格朗日參數(shù)均值逐漸趨近于當前幀的拉格朗日參數(shù)值。實驗結(jié)果顯示,該算法具有較高的碼率控制精度,編碼性能具有明顯的提升。(4)本文根據(jù)失真?zhèn)鬟f的影響,在Random Access模式下對拉格朗日參數(shù)進行最優(yōu)選擇。首先,對RA模式下參考關系進行分析,實驗統(tǒng)計參考比率,建立主要的參考關系模型。通過失真?zhèn)鬟f的影響,估計由當前失真引起的后續(xù)失真,從而推導出RA模式下的失真?zhèn)鬟f模型。然后對序列級,GoP組級和幀級分別進行率失真優(yōu)化分析,得到序列與GoP組、GoP組與幀以及幀與CTU的拉格朗日參數(shù)關系。最后推導出GoP組之間單數(shù)幀的最優(yōu)拉格朗日參數(shù)比例,幀之間的最優(yōu)拉格朗日參數(shù)比例以及CTU之間的最優(yōu)拉格朗日參數(shù)比例,從而使得編碼性能分別從序列層面,GoP組層面和幀層面得到提升。實驗結(jié)果顯示,該算法對編碼性能具有明顯的提高,改善了編碼的主觀質(zhì)量,同時具有良好的碼率控制性能。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN919.81
【圖文】：

圖 1.1 視頻編碼標準的發(fā)展1.2.2 碼率控制技術(shù)研究概況視頻編碼的碼率控制，就是在編碼過程中，對產(chǎn)生的碼流進行有目的的調(diào)整，使得碼率保持在規(guī)定的水平上。由于各類視頻編碼標準并沒有制定碼率控制算法，而碼率控制又具有十分重要的地位，所以各類視頻編碼標準會對優(yōu)秀的碼率控制算法進行推薦。如 MPEG-1 中的可變（VBR）碼率控制算法[32]、MPEG-2 中的 TM5[33]、H.263 的 TMN8 碼率控制模型[34]、MPEG-4 的 VM8 碼率控制模型[35]、MPEG-4 改進碼控模型[36]等。在視頻編碼過程中，碼率和失真通常表現(xiàn)出相悖的關系，即高碼率帶來小失真，低碼率帶來大失真。所以，人們希望可以平衡碼率和失真關系，使得編碼系統(tǒng)達到最優(yōu)，這就是率失真優(yōu)化（Rate Distortion Optimization, RDO）[37]技術(shù)。對編碼的一些關鍵模塊進行率失真優(yōu)化，可以有效地提高編碼性能[38],[39]。H.264/AVC 在碼率控制過程中使用了

第二章 高效視頻編碼技術(shù)1 HEVC 視頻編碼關鍵技術(shù).1 HEVC 編碼結(jié)構(gòu)）HEVC 編碼單元HEVC 編碼的基本單元為編碼樹單元（Coding Tree Unit, CTU），其大小64。一個 CTU 包含一個亮度編碼樹塊（Coding Tree Block, CTB）和兩個碼樹塊，并采用四叉樹遞歸方式劃分成多個編碼單元（Coding Unit, CU CU 包含一個亮度編碼塊（Coding Block, CB）和兩個色度編碼塊，CU 8×8。圖 2.1 所示為 CTU 四叉樹遞歸劃分結(jié)構(gòu)。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 馬思偉;;AVS視頻編碼標準技術(shù)回顧及最新進展[J];計算機研究與發(fā)展;2015年01期

2 袁武;林守勛;牛振東;羅海勇;張勇東;;H.264/AVC碼率控制優(yōu)化算法[J];計算機學報;2008年02期

3 馬思偉,高文,袁祿軍,呂巖;一種面向H.264/AVC的碼率控制算法[J];電子學報;2004年12期

本文編號：2715205