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(duì)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(zhǎng)迅速，人類社會(huì)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。海量的視頻對(duì)于視頻的存儲(chǔ)和傳輸提出了更大的挑戰(zhàn)，這也使得對(duì)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(lái)高性能的同時(shí)

2、也帶來(lái)了復(fù)雜度的大幅度增加，因此在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)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(jué)四個(gè)層面探討對(duì)HEVC的率失真優(yōu)化技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括如下四個(gè)部分。
　　第一，視頻需要有一個(gè)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(méi)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(yàn)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(cè)模式，最多達(dá)到35種，同時(shí)對(duì)于編碼單元采用基于四叉樹(shù)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(cè)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(cè)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(cè)模式?jīng)Q策模型以提升預(yù)測(cè)模式?jīng)Q策的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法有效減少了幀內(nèi)預(yù)測(cè)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(shí)，本文算法在AVS2平臺(tái)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(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)編碼單元采用了基于四叉樹(shù)的劃分結(jié)構(gòu)，這大大增加了運(yùn)動(dòng)估計(jì)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(gè)方面提出了對(duì)幀間編碼的率失真優(yōu)化技術(shù)。首先，針對(duì)HEVC特有的參考幀集合的結(jié)構(gòu)，基于參考幀分布的時(shí)

6、空特性，提出了一種基于運(yùn)動(dòng)復(fù)雜度的參考幀快速?zèng)Q策方法，以減少多參考幀帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)的復(fù)雜度增加。其次，基于對(duì)同一深度下編碼單元?jiǎng)澐峙c未劃分情況下的率失真代價(jià)分布的統(tǒng)計(jì)，提出了一種基于率失真代價(jià)的快速劃分決策方法，以減少不必要的劃分帶來(lái)的復(fù)雜度提升。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)如

7、何從視覺(jué)的角度對(duì)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(jué)因子的計(jì)算方法，然后對(duì)該視覺(jué)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(jué)特性，并用于編碼過(guò)程中對(duì)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(jué)特性的率失真代價(jià)計(jì)算方法進(jìn)行模式?jīng)Q策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(shí)，本文算法在AVS2平臺(tái)上，也可以有效果提升視