面向高性能視頻編碼的碼率控制與仿射預(yù)測研究.pdf

1、在視頻采集設(shè)備和顯示設(shè)備都呈日新月異發(fā)展的大背景下，處于視頻傳輸中間階段的視頻編碼技術(shù)正面臨著越來越大的壓力，面向高清視頻的最新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)高性能視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）相比前一代編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC在相同的主觀質(zhì)量下可以帶來一半的碼率節(jié)省，可以一定程度上緩解視頻編碼面臨的壓力，但是針對目前的需求仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何在高性能視頻編碼的基礎(chǔ)上充分利用帶寬以及進(jìn)一步提高編碼性能是

2、目前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
　　一般來說，最優(yōu)的比特分配以及精確的碼率控制是實(shí)現(xiàn)帶寬有效利用的關(guān)鍵技術(shù)。大多數(shù)的傳統(tǒng)方法都是基于量化參數(shù)來進(jìn)行碼率控制和比特分配，但是由于在HEVC中，頭信息所占的比特?cái)?shù)大幅度增加，所以基于量化參數(shù)的傳統(tǒng)方法并不適合于HEVC。最新涌現(xiàn)出來了一種基于拉格朗日常數(shù)λ的碼率控制方法可以很精確的控制碼率，但是目前并沒有最優(yōu)的比特分配方法與之相匹配，而且對于高性能視頻編碼可伸縮擴(kuò)展是否適用也需要仔細(xì)研究。

3、　　另外，從編碼性能的角度，在高性能視頻編碼中也僅僅使用了平移運(yùn)動模型，所以最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)也仍然無法有效的刻畫非常復(fù)雜的運(yùn)動，而復(fù)雜的運(yùn)動又往往是視頻中最消耗比特?cái)?shù)的部分，因此在高清視頻編碼上如何有效的引入更高階的運(yùn)動模型以更好的刻畫復(fù)雜運(yùn)動同樣也是非常關(guān)鍵的一個(gè)問題。大多數(shù)傳統(tǒng)的高階運(yùn)動模型方法都無法在編碼性能以及編解碼復(fù)雜度這兩方面找到一個(gè)平衡，所以高階運(yùn)動模型遲遲沒有進(jìn)入視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的范疇。
　　本文試圖從以上兩個(gè)方面進(jìn)

4、一步提升有限帶寬下的視頻質(zhì)量。一方面盡量在HEVC盡量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的比特分配和精確的碼率控制，以實(shí)現(xiàn)帶寬的更有效利用，另一方面引入高階運(yùn)動模型實(shí)現(xiàn)視頻中復(fù)雜運(yùn)動的更好刻畫，以進(jìn)一步提高編碼效率。
　　論文的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　(1)本文針對HEVC的λ域碼率控制方法提出了一種最優(yōu)比特分配方案。首先，本文提出了一個(gè)完整的λ域R-D分析框架，除了現(xiàn)有工作中的R一λ模型用來表示R和λ之間的關(guān)系，本章提出了一個(gè)全新的D-λ模型來表

5、示D和λ之間的關(guān)系。其次，本文基于此完整的λ域R-D分析框架和基本的R-D優(yōu)化理論提出了一種與內(nèi)容相關(guān)的最優(yōu)圖片級比特分配算法。再次，本文基于完整的λ域R-D分析框架和基本的R-D優(yōu)化理論同時(shí)提出了與內(nèi)容相關(guān)的基本單元級比特分配算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的為HEVC設(shè)計(jì)的最優(yōu)比特方案相比傳統(tǒng)方法可以實(shí)現(xiàn)明顯率失真性能提升。本文提出的圖片級以及基本單元級比特分配算法被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織JCT-VC接受且集成進(jìn)入了HEVC參考軟件。
　

6、　(2)本文針對HEVC可伸縮擴(kuò)展提出了一種最優(yōu)的碼率控制方案。首先，本文為可伸縮視頻編碼每一層的第一幀提出了一種最優(yōu)的初始目標(biāo)比特?cái)?shù)以及初始編碼參數(shù)決定算法以實(shí)現(xiàn)更好的R-D性能。其次，本文基于根本的率失真優(yōu)化理論聯(lián)合考慮層內(nèi)和層間的依賴關(guān)系為空間和質(zhì)量可伸縮的幀間圖片設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)比特分配算法。最后，本文提出了一個(gè)針對R-λ模型的自適應(yīng)更新算法來精確的估計(jì)碼率控制模型參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更好的碼率控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的為HEVC可

7、伸縮擴(kuò)展設(shè)計(jì)的碼率控制方案相比傳統(tǒng)方法可以在精確的碼率控制下顯著提高率失真性能。
　　(3)本文針對HEVC提出了一種低復(fù)雜度仿射運(yùn)動補(bǔ)償框架以更好的刻畫復(fù)雜運(yùn)動。首先，本文提出了一個(gè)支持多參考幀的四參數(shù)仿射運(yùn)動補(bǔ)償框架。其次，本文提出了兩種決定仿射運(yùn)動矢量的方式:先進(jìn)的仿射運(yùn)動矢量預(yù)測模式以及仿射模型融合模式;特別地，與先進(jìn)的仿射運(yùn)動矢量預(yù)測模式相結(jié)合，提出了一種基于梯度下降的快速仿射運(yùn)動估計(jì)算法。最后，本文提出了兩個(gè)工具以減少