高效视频编码码率控制算法研究

发布时间：2020-06-16 00:08

【摘要】：随着科技的进步,通信与多媒体技术得到了迅猛的发展。其中,视频是信息占有量最大且最为常用的交流媒介。现实生活中,有限的存储空间和传输带宽使得人们需要对视频先进行编码压缩,再进行保存和传输。新一代视频编码技术(High Efficiency Video Coding,HEVC)相比于前一代视频编码标准H.264/AVC,具有更高的压缩性能。但是,如何高效地利用传输带宽,依然是研究的重点和难点。码率控制是实现压缩视频在有限带宽中传输的关键技术,其主要目的就是在给定的码率下,尽可能高地还原重建视频的质量。在HEVC标准中,采纳了一种λ域的码率控制算法,该算法将拉格朗日参数l作为控制码率的主要因素,并通过自适应的码率分配和参数更新来计算拉格朗日参数λ,但是这样并不能选择最优的l进行编码。另外,在特殊场景下,码率的分配方案和λ的选择策略也需要进一步的研究。本文主要从人类视觉特性、监控视频特点和最优λ选择三个方面对码率控制算法进行研究,从而可以更加合理有效地利用带宽资源,提高编码性能。主要的研究内容和创新成果包括:(1)根据空-时域视觉敏感度对码率进行分配。首先,在空间域上,根据人类视觉对图像中不同的纹理具有不同的敏感程度,采用恰可感知失真(Just Noticeable Distortion,JND)模型获得一帧图像的最大失真。通过图像的最大失真可以得到每个编码树单元(Coding Tree Unit,CTU)最大失真度,从而获取空域图像中每个CTU的敏感度权重。然后,在时域上,根据帧间差值对帧级的码率进行分配,为变化较为明显的帧进行较高质量的编码,这样利于提高主观感受。与此同时,利用帧差方法,获得时域连续帧中引起视觉自底向上的关注区域,并根据差值计算每个CTU在时域上的敏感度权重。最后,结合空域和时域的敏感权重因子,将码率更加合理地分配到每帧和每个CTU上。实验结果表明,该码率分配策略可以有效地提高编码的主观质量,同时保持较高的码率控制精度。(2)针对监控视频特性,提出一种分离式最优λ选择算法。首先,利用低复杂度像素级分割方法获取监控视频的前景和背景。根据监控视频背景长时间保持不变、而前景主要由于帧间对应像素变化引起这一特点,利用时域上连续四帧,差分得到一帧中的前景像素和背景像素。由于前景像素都较为集中,所以可以获取前景CTU和背景CTU。然后,根据实验结果,可以得到前景和背景的率失真特性不同但都满足双曲线模型。推导前景与背景区域的率失真优化,得出前景CTU和背景CTU的拉格朗日参数均值需要等于当前帧的拉格朗日值。通过对前景或背景当前编码CTU的拉格朗日参数进行区域限制,使得两个区域的拉格朗日参数均值逐渐趋近于当前帧的拉格朗日参数值。最后,对于前景与背景区域的码控参数分别进行更新,使得更新参数更加符合两个区域的变化特点。实验结果显示,该算法在保持高码控精度的前提下,有效地提高了前景区域的编码质量,同时对整体的编码质量也有所提升。(3)本文在Low Delay模式下,对多级拉格朗日参数进行最优选择。首先,实验得到运动补偿预测误差(Motion Compensation Prediction Error,MCPE)与帧级码率的近似线性关系,并根据这个近似线性关系,对帧级码率进行分配。然后,将序列级的率失真优化转化为对所有GoP(Group of Picture)组的率失真优化。在对GoP组的率失真优化过程中,可以得到GoP组的拉格朗日参数与帧级拉格朗日参数关系,通过计算获取帧间的拉格朗日参数最优比例。最后,对帧级进行率失真优化,推导出当前帧中CTU的拉格朗日参数均值需要等于当前帧的拉格朗日参数值。所以利用区间限制方法,使得帧中已编码CTU的拉格朗日参数均值逐渐趋近于当前帧的拉格朗日参数值。实验结果显示,该算法具有较高的码率控制精度,编码性能具有明显的提升。(4)本文根据失真传递的影响,在Random Access模式下对拉格朗日参数进行最优选择。首先,对RA模式下参考关系进行分析,实验统计参考比率,建立主要的参考关系模型。通过失真传递的影响,估计由当前失真引起的后续失真,从而推导出RA模式下的失真传递模型。然后对序列级,GoP组级和帧级分别进行率失真优化分析,得到序列与GoP组、GoP组与帧以及帧与CTU的拉格朗日参数关系。最后推导出GoP组之间单数帧的最优拉格朗日参数比例,帧之间的最优拉格朗日参数比例以及CTU之间的最优拉格朗日参数比例,从而使得编码性能分别从序列层面,GoP组层面和帧层面得到提升。实验结果显示,该算法对编码性能具有明显的提高,改善了编码的主观质量,同时具有良好的码率控制性能。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.81
【图文】：

视频编码标准,码率控制

图 1.1 视频编码标准的发展1.2.2 码率控制技术研究概况视频编码的码率控制，就是在编码过程中，对产生的码流进行有目的的调整，使得码率保持在规定的水平上。由于各类视频编码标准并没有制定码率控制算法，而码率控制又具有十分重要的地位，所以各类视频编码标准会对优秀的码率控制算法进行推荐。如 MPEG-1 中的可变（VBR）码率控制算法[32]、MPEG-2 中的 TM5[33]、H.263 的 TMN8 码率控制模型[34]、MPEG-4 的 VM8 码率控制模型[35]、MPEG-4 改进码控模型[36]等。在视频编码过程中，码率和失真通常表现出相悖的关系，即高码率带来小失真，低码率带来大失真。所以，人们希望可以平衡码率和失真关系，使得编码系统达到最优，这就是率失真优化（Rate Distortion Optimization, RDO）[37]技术。对编码的一些关键模块进行率失真优化，可以有效地提高编码性能[38],[39]。H.264/AVC 在码率控制过程中使用了

四叉树,编码单元,编码树,码树

第二章高效视频编码技术1 HEVC 视频编码关键技术.1 HEVC 编码结构）HEVC 编码单元HEVC 编码的基本单元为编码树单元（Coding Tree Unit, CTU），其大小64。一个 CTU 包含一个亮度编码树块（Coding Tree Block, CTB）和两个码树块，并采用四叉树递归方式划分成多个编码单元（Coding Unit, CU CU 包含一个亮度编码块（Coding Block, CB）和两个色度编码块，CU 8×8。图 2.1 所示为 CTU 四叉树递归划分结构。

【参考文献】