面向視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的幀間預(yù)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，特別是移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，視頻應(yīng)用正在以前所未有的速度迅猛增長(zhǎng)。同時(shí)，視頻應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)和終端多樣化的特點(diǎn)也呈現(xiàn)地愈發(fā)明顯。網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播、高清電視直播、視頻電話(huà)、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控等基于視頻的應(yīng)用形式正在廣泛而深遠(yuǎn)地影響著人們的工作和生活。
　　作為視頻技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)必要條件，視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展歷程，產(chǎn)生了一系列的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。從早期的H.261、H.2

2、62/MPEG-2、H.263等等到目前主流的H.264/AVC，以及最新的HEVC等。每一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都提供了一系列的編碼工具，視頻應(yīng)用開(kāi)發(fā)者可以自由地利用編碼標(biāo)準(zhǔn)所提供的編碼工具產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的碼流，而編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于編碼工具的定義也在很大程度上決定了采用該編碼標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的編碼性能。
　　目前主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)均采用了基于預(yù)測(cè)、變換、量化、熵編碼的混合編碼框架。其中，幀間預(yù)測(cè)是編碼器挖掘視頻信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性的主要手段。幀間預(yù)測(cè)技

3、術(shù)對(duì)視頻應(yīng)用有兩個(gè)方面的影響:首先，幀間預(yù)測(cè)的效率對(duì)編碼的整體效率有很大的影響，幀間預(yù)測(cè)的效率涉及預(yù)測(cè)信號(hào)的精度和預(yù)測(cè)信號(hào)所需的運(yùn)動(dòng)信息開(kāi)銷(xiāo)兩個(gè)方面，預(yù)測(cè)信號(hào)越精確、運(yùn)動(dòng)信息開(kāi)銷(xiāo)越小，則預(yù)測(cè)的效率越高;其次，幀間預(yù)測(cè)導(dǎo)致幀與幀之間的數(shù)據(jù)依賴(lài)，這種依賴(lài)制約了碼流的適配能力，而視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)碼流適配的支持（如實(shí)現(xiàn)隨機(jī)接入、碼流的時(shí)間可伸縮等）通常對(duì)應(yīng)著某種程度上對(duì)參考關(guān)系的切斷。在標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用層面需要合理地定義和配置編碼的參考關(guān)系，以達(dá)到編

4、碼效率和碼流適配能力的平衡。
　　本文面向當(dāng)前主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，以幀間預(yù)測(cè)技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容，從預(yù)測(cè)信息的編碼效率和碼流適配能力兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的幀間預(yù)測(cè)編碼方法進(jìn)行了研究。一方面針對(duì)基于運(yùn)動(dòng)矢量競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)動(dòng)信息編碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，降低了碼流中描述預(yù)測(cè)信號(hào)所需的數(shù)據(jù)開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)而提升了幀間的整體編碼效率;另一方面深入研究了感興趣區(qū)域可伸縮編碼場(chǎng)景下的幀間預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)依賴(lài)問(wèn)題，在標(biāo)準(zhǔn)兼容的基礎(chǔ)上提供了感興趣區(qū)域可伸縮及可重寫(xiě)的高效編碼方法。<

5、br>　　本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.面向基于運(yùn)動(dòng)矢量競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)動(dòng)信息編碼技術(shù)，提出了基于區(qū)域劃分準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)矢量編碼方法。該方法使用基于歐氏距離的區(qū)域劃分準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)選擇，以便對(duì)運(yùn)動(dòng)搜索的備選搜索點(diǎn)集合按照區(qū)域劃分的方式進(jìn)行分類(lèi)處理。對(duì)屬于特定類(lèi)別的運(yùn)動(dòng)矢量在解碼通過(guò)直接推導(dǎo)的方式獲得編碼端的競(jìng)爭(zhēng)矢量選擇信息;而對(duì)其他分類(lèi)的運(yùn)動(dòng)矢量，利用數(shù)據(jù)隱藏的方法將競(jìng)爭(zhēng)矢量的選擇隱藏在運(yùn)動(dòng)矢量殘差的奇偶性當(dāng)中，通過(guò)在KTA及

6、TMuC參考軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，證明了該方法在編碼效率上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)矢量編碼方法。
　　2.面向H.264/SVC的可重寫(xiě)SVC編碼技術(shù)，提出了空間及感興趣區(qū)域可重寫(xiě)的SVC編碼方法。感興趣區(qū)域可重寫(xiě)及空間增強(qiáng)層的可重寫(xiě)特性對(duì)提升H.264/SVC碼流向H.264/AVC用戶(hù)提供兼容服務(wù)的能力有重要意義。針對(duì)H.264/SVC不支持空間可重寫(xiě)的缺點(diǎn)，本文方法利用變換域的幀間殘差上采樣技術(shù)克服了空間增強(qiáng)層層間殘差預(yù)測(cè)計(jì)算量大

7、的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了空間增強(qiáng)層可重寫(xiě)編碼。同時(shí)，針對(duì)H.264/SVC中感興趣區(qū)域編碼場(chǎng)景下感興趣區(qū)域邊緣非整像素對(duì)背景區(qū)域數(shù)據(jù)依賴(lài)的問(wèn)題，本文采用了基于率失真優(yōu)化準(zhǔn)則的解決方法，在支持感興趣區(qū)域可重寫(xiě)特性的前提下，取得了標(biāo)準(zhǔn)兼容性、壓縮效率、以及解碼漂移這三者之間的良好平衡，同時(shí)，針對(duì)仍然存在的解碼漂移，利用關(guān)鍵幀技術(shù)控制可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤傳播，進(jìn)一步提高了總體編碼效率。通過(guò)在JSVM參考軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，證明該方法在保留感興趣區(qū)域可重寫(xiě)特

8、性的同時(shí)顯著提升了編碼效率。
　　3.面向H.264/SVC增強(qiáng)層感興趣區(qū)域編碼，提出了基于輔助編碼環(huán)路的SVC增強(qiáng)層感興趣區(qū)域編碼方法。該方法在增強(qiáng)層感興趣區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)解碼時(shí)，利用基本層信息生成背景區(qū)域的近似信號(hào)用作參考，并在編碼端維護(hù)了與感興趣區(qū)域單獨(dú)解碼場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)的輔助編碼環(huán)路。在該編碼環(huán)路中，利用基本層信息，通過(guò)錯(cuò)誤隱藏的方法生成參考信號(hào)（虛擬參考幀）的背景區(qū)域，而感興趣區(qū)域則以虛擬參考幀為參考進(jìn)行重建。編碼的模式選擇過(guò)程