基于率失真優(yōu)化的高效視頻編碼技術(shù)研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對人們生活的不斷滲透，數(shù)字視頻的產(chǎn)生速度和數(shù)量增長迅速，人類社會已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代。海量的視頻對于視頻的存儲和傳輸提出了更大的挑戰(zhàn)，這也使得對數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)。2013年，新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)——高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）正式發(fā)布，和上一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC相比，編碼性能獲得了大幅度的提升。
　　HEVC在帶來高性能的同時

2、也帶來了復(fù)雜度的大幅度增加，因此在實(shí)際應(yīng)用中對視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的優(yōu)化，降低編碼復(fù)雜度，從而提升視頻編碼效率具有重要的意義。本文立足于率失真優(yōu)化的基本理論，從碼率控制、幀內(nèi)編碼、幀間編碼以及主觀視覺四個層面探討對HEVC的率失真優(yōu)化技術(shù)，主要研究內(nèi)容包括如下四個部分。
　　第一，視頻需要有一個良好的碼率控制方法以確保編碼視頻的有效傳輸，目前HEVC中的碼率控制方法并沒有充分考慮HEVC新的編碼結(jié)構(gòu)和特性。本文基于HEVC中新的編

3、碼結(jié)構(gòu)和特性提出了一種基于Rate-GOP的碼率控制方法。首先本文研究了Rate-GOP中幀間的率失真依賴性關(guān)系，并基于這種依賴性關(guān)系提出了基于率失真依賴性的率失真模型和基于Rate-GOP的率失真模型。其次，基于變換系數(shù)的混合拉普拉斯分布，本文提出一種變換域的二次ρ-R模型，并建立了R和QP之間的關(guān)系；最后基于上述模型，提出了一種基于率失真優(yōu)化的碼率分配方法。實(shí)驗結(jié)果表明，和相關(guān)算法相比，本文方法具有較高的碼率控制性能。
　　第

4、二，HEVC的幀內(nèi)編碼采用了更多的預(yù)測模式，最多達(dá)到35種，同時對于編碼單元采用基于四叉樹的劃分結(jié)構(gòu)以確定最優(yōu)的劃分模式，這大大增加了幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度。為了有效降低HEVC幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度，本文基于梯度方差、紋理以及預(yù)測模式的分布之間的關(guān)系，首先提出了一種自適應(yīng)的預(yù)測模式數(shù)量的收縮方法；其次，基于哈達(dá)瑪變換和量化，本文提出了一種預(yù)測模式?jīng)Q策模型以提升預(yù)測模式?jīng)Q策的準(zhǔn)確性。實(shí)驗結(jié)果表明，本文方法有效減少了幀內(nèi)預(yù)測模式的數(shù)量，在客觀質(zhì)量下降

5、幾乎可以忽略的情況下，有效降低了幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度，提升了幀內(nèi)編碼的效率。同時，本文算法在AVS2平臺上也可以有效降低幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度。
　　第三，HEVC中的幀間編碼，依然采用了多參考幀的運(yùn)動補(bǔ)償，同時對編碼單元采用了基于四叉樹的劃分結(jié)構(gòu)，這大大增加了運(yùn)動估計的復(fù)雜度，為了有效降低幀間編碼的復(fù)雜度，本文從參考幀選擇和編碼單元的劃分兩個方面提出了對幀間編碼的率失真優(yōu)化技術(shù)。首先，針對HEVC特有的參考幀集合的結(jié)構(gòu)，基于參考幀分布的時

6、空特性，提出了一種基于運(yùn)動復(fù)雜度的參考幀快速決策方法，以減少多參考幀帶來的運(yùn)動估計的復(fù)雜度增加。其次，基于對同一深度下編碼單元劃分與未劃分情況下的率失真代價分布的統(tǒng)計，提出了一種基于率失真代價的快速劃分決策方法，以減少不必要的劃分帶來的復(fù)雜度提升。實(shí)驗結(jié)果表明，本文的幀間率失真優(yōu)化方法有效降低了幀間編碼的復(fù)雜度，同時客觀質(zhì)量的下降幾乎可以忽略。
　　第四，HEVC中，新的編碼技術(shù)的采用導(dǎo)致了視頻質(zhì)量的主觀影響因素發(fā)生了改變，這對如

7、何從視覺的角度對HEVC進(jìn)行優(yōu)化提出了新的課題，本文首先基于分歧歸一化理論，提出了一種適合HEVC的視覺因子的計算方法，然后對該視覺因子應(yīng)用非線性縮放方法進(jìn)行縮放，以適合人眼的視覺特性，并用于編碼過程中對量化參數(shù)的調(diào)整；其次根據(jù)HEVC的編碼特性提出了一種基于視覺特性的率失真代價計算方法進(jìn)行模式?jīng)Q策。實(shí)驗結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對量化參數(shù)的有效調(diào)節(jié)，能夠較大幅度的提升視頻編碼的主觀性能。同時，本文算法在AVS2平臺上，也可以有效果提升視