高效率视频编码HEVC的优化研究

发布时间：2020-07-29 15:13

【摘要】：当前时代,视频无时无刻存在于世界的每一角落,电视中、网络上、手机中、大街上,人们随时都在看着各种内容的视频。从图像内容的角度来说,视频可以被分解为一连串的图片,其包含的信息量是巨大的。直到目前为止,还没有一种系统可以大规模的储存和播放原始视频码流信息。因此对视频进行压缩成为了一种必然。视频编码的目的就是尽最大的可能性去除视频码流中的冗余,使得视频内容方便储存,播放。HEVC(High Efficiency Video Coding)视频编码标准是由 ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)和 ISO(International Organization for Standardization)组织成立的联合工作组 JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding)所推出的最新的视频编码标准。在ITU-T标准中,HEVC又被称为H.265标准。HEVC的目标是采用2到4倍于H.264/AVC的复杂度,在同样的编码质量下,取得H.264/AVC码率的一半。就目前的进展来说,HEVC标准基本达到了其设计目标。但是在实际应用中,HEVC仍然面临着复杂度过高的缺点。在使用HEVC的官方测试平台HM(HEVCtestmodel)对1080p格式的视频进行随机接入格式(RandomAccess)的编码时,编码一个帧间帧的时间经常高达几分钟时间。这么长的时间在实际的应用中是不能接受的。这也说明,HEVC编码器在压缩复杂度方面有着很大的研究空间。本文主要研究了 HEVC编码标准中的若干关键技术,针对一些耗时的编码技术,本文提出了一些节约压缩编码时间的方法。在实验中,这些方案均不同程度的减少了 HEVC编码的复杂度。为编码器的设计提供了新的思路。本文的主要成果分为以下几个方面:第一,对HEVC中新加入的基于四叉树的图像划分结构进行了研究,提出了两种能大幅度减少编码时间的解决方案。为了应对高分辨率视频编码,HEVC编码标准引入了基于四叉树的画面内容分割技术。这一技术使得编码器既可以适应有着大块平坦区域的高分辨率视频,也可以适应有着丰富细节的视频内容。但在提高编码性能的同时,这一技术也引入了较高的编码复杂度。本文针对图像划分结构复杂度高的问题提出了两种解决方案。两种方案中一种基于直方图估计,需要在编码的过程中在线学习,对CU结构给出预测;另一种方案基于Adaboost,只需要预先学习,就可以在编码的过程中对CU结构给出预测。仿真结果说明,这两种方案都可以在几乎不影响编码质量的前提下,大幅度减少编码时间。第二,对帧间编码中的运动搜索技术进行了研究,提出了一种自适应决定运动向量搜索范围的算法。运动搜索技术是帧间编码的核心,也是视频编码中最耗时的模块之一。本文提出了一种自适应决定运动向量搜索范围的算法。该方法采用K近邻算法,综合了如运动预测误差等若干种特征,可以在编码的过程中动态的给出当前块运动向量搜索范围。该方法在HEVC的实验模型HM下得到验证。实验表明,本方法节约了运动搜索的时间,降低了帧间编码的复杂度。第三,对HEVC中特有的Merge编码模式进行了研究,提出了一种快速Merge模式。由于在编码高分辨率的视频时,即使CTU(Coding tree units)块的大小为64x64像素,块与块之间的相关性还是很强。为了去除块与块之间的冗余,HEVC引入了 Merge模式,使得一个块可以直接采用旁边块的编码信息。在实际编码中,高分辨率视频采用Merge模式的概率比较高。利用这一特点,本文提出了一种快速Merge模式,该方法可以使得编码器动态地判断当前块是否可以直接采用Merge而不进行传统的运动搜索过程。由于运动搜索占用的搜索时间较多,跳过一定的运动搜索也就达到了减少时间开销的效果。实验表明,采用本文提出的快速Merge算法可以在BD-rate上升0.27%的代价下减少压缩编码时间10.9%。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.81
【图文】：

曲线,编码器,视频,曲线

视频编码算法的目标就是要找到在某一特定码率以下，所能达到的最小失逡逑真Ｚ）。编码器在各个工作点产生的Ｒ与Ｄ的函数关系就是信息论中的ｒ－ｄ曲线。逡逑图１－１就是一个ｒ－ｄ曲线的例子，文献［２］的作者采用了不同的编码器以及不同的逡逑码率配置对．／？如吵这一段视频进行编码操作，然后将得到的每一个工作点绘制逡逑在图中。其中，Ｙ轴为ＰＳＮＲ，度量了编码后的失真（Ｄ），而Ｘ轴是码率（Ｒ）。逡逑在图中可以ｆ］？到，随着编码器的发展，新的编码器往往有着比旧的编码器有更贴逡逑近左上角的ｒ－ｄ曲线。图中这些数据也体现了视频编码器的持续发展。逡逑Ｊｏｈｎｎｙ，邋１２８０ｘ７２０，邋６０Ｈｚ逡逑４５邋Ｉ逦二一逦逦邋二逡逑４４逦逦逦逦逦逦逦逦￣￣—Ｉ逡逑一一－－一－＊—－一邋■逡逑Ｊ逦一一逡逑Ｉ邋３９邋ｆ／邋Ｕ邋／逦：Ｈ：２Ｓ２，ＭＰＥＧ：２邋ＭＰ邋｜逡逑§邋３８逦ｉｆｆ逦ＡＳＰ逡逑＞邋ｆｌ邋ｉｆ／逦？Ｈ．２Ｓ３ＣＨＣ逡逑３７邋Ｉｔ邋ｆｌ／逦ＡＶＣ邋ＨＰ邋－逡逑３６邋Ｈ邋ｔｉｊ逦－＊－ＨＥＶＣ邋ＭＰ逦Ｉ逡逑３ｊ0逦１０００逦２０００逦３０００逦４０００逦５０００逡逑ｂｉｔ－ｒａｔ

编码标准,发展过程

此巨大的提升其原因是多方面的。总的来说，ＨＥＶＣ仍然采用了用时间换性能的逡逑思路。与Ｈ．２６４标准相比，ＨＥＶＣ的复杂度是其２？４倍。而在ＪＣＴ－ＶＣ组织给出逡逑的ＨＥＶＣ参考编码软件ＨＭ平台上，编码一帧１０８０ｐ的视频往往需要几分钟的逡逑时间。在高清视频的实时编码上，由于ＨＥＶＣ的编码复杂度，应用ＨＥＶＣ视频逡逑编码标准仍然有一定的困难。同时也要看到，在２０１３年ＨＥＶＣ标准被正式提出逡逑以后，采用ＨＥＶＣ编码标准的视频内容并没有大量出现，这与编码的高复杂度逡逑也不无关系。综上所述，优化ＨＥＶＣ的编码复杂度仍然是一个紧迫且有现实意逡逑义的工作。逡逑１．２视频编码标准的发展逡逑图１－２列出了国际上主流视频编码标准的发展历史。世界上主流视频编码标逡逑准大致可以分成两个阵营，一个是ＩＳ０／ＩＥＣ发布的ＭＰＥＧ系列标准，一个是ＩＴＵ－逡逑Ｔ组织发布的Ｈ．２６ｘ系列标准。相比之下还有一些标准，其使用的广泛程度不如逡逑前两个阵营发布的标准。如微软公司提出的ＷＭＶ系列编码，ＲｅａｌＮｅｔｗｏｒｋｓ公司逡逑

吉布斯效应,振铃效应

块提供更好的预测效果｜４Ｕ４２１。具体来说，由于ＨＥＶＣ与之前的视频编样都采用了基于块的ＤＣＴ变换，并在频域对变换后的系数进行量化，的失真会导致振铃效应的出现，如图１－３所示。为了解决这一问题，ＳＡＯ提供了一种思路，就是使用正值对重构信号中的波谷进行补偿，使用负信号中的波峰进行补偿。补偿后的信号更贴近原始的信号。提高了图像量。目前已经有部分学者针对ＳＡＯ滤波器做了一定的研宄工作，如邋Ｋｉｍ在文献［４３］中提出了一种改进方法，使得编码器在同等的滤波效果更少的滤波条件，减少了滤波过程的复杂度。ＳｈａＳｈｅｎ设计了一种基于水线型的ＳＡＯ滤波器１４４Ｌ邋ＳａｎｇｓｏｏＡｈｎ利用了邋ＳＡＯ产生的信息设计了四叉树结构判断的算法，加速了编码的时间［４５］。还有一些研究关注了邋Ｓ在解码器上的应用１４＆５１１。逡逑６）去块滤波逡逑ＨＥＶＣ标准中最小的去块滤波网格大小为８ｘ８的块。而这一大小在Ｈ．２６为４ｘ４。采用更大的滤波边缘主要出于两个考虑。一个是在这－扩大了

【相似文献】