高效視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，視頻多媒體應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了人類生活的各個(gè)方面。大量的視頻應(yīng)用產(chǎn)生了海量的視頻數(shù)據(jù)，尤其是近年來高清和超高清視頻應(yīng)用越來越廣泛，相比于標(biāo)清視頻，高清視頻分辨率更高、畫面更清晰，但是數(shù)據(jù)量更大。如果未經(jīng)壓縮，這些視頻將很難應(yīng)用于實(shí)際的存儲(chǔ)和傳輸。因此視頻壓縮編碼技術(shù)是視頻應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。視頻數(shù)據(jù)量的增大使得現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求。為此，ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定了新一代視頻編

2、碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC。相比于以往的標(biāo)準(zhǔn)，HEVC具有更高的壓縮效率和更優(yōu)的畫面質(zhì)量，所以該標(biāo)準(zhǔn)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，HEVC在獲得高效的編碼性能的同時(shí)也帶來了巨大的編碼復(fù)雜度，嚴(yán)重影響了該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和推廣。因此，在保持HEVC編碼性能的前提下，有效降低編碼計(jì)算復(fù)雜度是該標(biāo)準(zhǔn)獲得成功的關(guān)鍵因素，也是高清視頻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的迫切需求。
　　由于編碼單元的編碼幾乎包括了HEVC中所有的編碼模塊，對(duì)編碼單元的選擇占用了HEVC絕大部分的

3、編碼時(shí)間，因此為降低HEVC的編碼復(fù)雜度，本文重點(diǎn)針對(duì)其中的幀內(nèi)編碼單元選擇和幀間編碼單元選擇等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究成果包括：
　　第一，提出了基于非歸一化梯度直方圖碼書的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。首先，通過圖像相關(guān)模型分析了幀內(nèi)率失真代價(jià)與圖像最強(qiáng)相關(guān)方向相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，確立了幀內(nèi)編碼單元分塊模式與非歸一化梯度直方圖之間的相關(guān)性，定義了非歸一化梯度直方圖特征。其次，設(shè)計(jì)了基于模糊聚類的碼書訓(xùn)練方法，并提出了基于該碼書

4、的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。該方法根據(jù)幀內(nèi)預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，為幀內(nèi)編碼單元快速選擇提供了相關(guān)特征，平均節(jié)省百分之三十的編碼時(shí)間。
　　第二，利用非歸一化梯度直方圖特征，提出了基于模板匹配的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。設(shè)計(jì)了先入先出隊(duì)列的編碼單元編碼信息保存機(jī)制，以及K近鄰相似編碼單元對(duì)當(dāng)前編碼單元分塊模式的判斷方法。該方法借鑒了圖像處理中模板匹配的思想，有效地利用了已編碼的編碼單元相關(guān)信息。這些信息對(duì)當(dāng)前編碼單元分塊模式的選擇具有重要的參

5、考價(jià)值。
　　第三，提出了基于金字塔運(yùn)動(dòng)散度的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，結(jié)合相鄰幀像素之間的運(yùn)動(dòng)特性和圖像相關(guān)模型，證明了幀間率失真代價(jià)與運(yùn)動(dòng)矢量方差之間的正相關(guān)關(guān)系，把編碼單元運(yùn)動(dòng)矢量方差的概念定義為運(yùn)動(dòng)散度。其次，設(shè)計(jì)了用于編碼單元分塊模型選擇的金字塔運(yùn)動(dòng)散度特征，以及基于下采樣光流估計(jì)的特征提取方法；最后，提出了基于K近鄰搜索的幀間編碼單元快速選擇算法。該方法根據(jù)幀間預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，為幀間編碼單元快速選擇提供了相關(guān)特征，有

6、效地降低了幀間編碼計(jì)算復(fù)雜度。
　　第四，提出了基于馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，將編碼單元的選擇問題作為一個(gè)標(biāo)簽問題，并將編碼單元的分塊模式定義為一個(gè)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)，然后用經(jīng)典的圖割理論來對(duì)編碼單元分塊模式進(jìn)行求解。其次，在運(yùn)動(dòng)散度特征的基礎(chǔ)上，分析得出絕對(duì)差值方差與率失真代價(jià)正相關(guān)關(guān)系，并依此設(shè)計(jì)了相關(guān)特征。最后，提出了基于率失真代價(jià)的最大后驗(yàn)方法，該方法對(duì)Unsplit編碼單元是否需要繼續(xù)按Split模式編

7、碼進(jìn)行了判斷。馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型可以有效地將編碼單元的自身特征與起上下文信息有效地結(jié)合起來。
　　最后，提出了基于雙層運(yùn)動(dòng)估計(jì)的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，設(shè)計(jì)了一種雙層運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，該方法同時(shí)保存了編碼單元及其子編碼單元的絕對(duì)差值和代價(jià)。其次，定義了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償代價(jià)的概念及其指數(shù)表示模型，該模型的變量為運(yùn)動(dòng)估計(jì)絕對(duì)差值和以及量化參數(shù)。最后，通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償代價(jià)模型推導(dǎo)編碼單元分塊模式的判斷閾值，提出了相應(yīng)的編碼單元快速選擇算法。該方