HEVC关键技术研究暨并行技术研究

发布时间：2020-07-30 02:19

【摘要】：视频编码标准HEVC致力于响应对于高清视频和超高清视频的增长需求。同时相对于以往的标准,HEVC编码所产生的数据量更小,却能带来同等甚至更为赏心悦目的视觉观感,具有极为广阔的应用前景。然而伴随着编码性能提升,由于HEVC编码框架也引入了过多复杂的算法,导致采用HEVC标准进行编码会带来极大的计算复杂度。因此,本文着力于研究保障一定编码质量的前提下,降低HEVC的编码复杂度的优化算法。本文从HEVC的帧内预测、帧间预测两大模块和恰可失真编码和并行计算两大方向着手,针对HEVC编码效率的优化和加速等问题进行研究。主要研究内容列表如下:第一.针对帧内预测部分,通过对于帧内率失真代价函数的分析,得到帧内能量信息以及梯度信息与帧内划分之间的关系。从而,提出基于灰度梯度共生矩阵和随机森林的帧内快速优化算法。然后,针对于帧内滤波部分,基于GBDT算法提出了参考块内像素的平滑滤波器的权值更新模型。第二.通过对于帧间运动矢量估计和帧间率失真代价函数的分析,提出了一种基于方差特征和头信息估计的帧间优化算法。另外针对头信息压缩,本文提出基于卡尔曼滤波的最优估计方法,获得了头信息比特数的估算模型和自适应模型。第三.针对人眼视觉系统对于不同视觉信息的不同敏感程度,基于时域和DCT域不同的JND模型,并将二者融合到改进后的联合恰可失真模型中,同时针对JND模型中,亮度和色度的基本阈值、对比度掩蔽效应模型、对比度掩蔽效应模型等部分进行改进和优化。然后在基于HEVC时空域的JND框架下进行对比实验,达到了良好的实验效果。第四.针对HEVC,基于混合编码框架和众核架构,提出针对帧内、帧间等HEVC模块的并行算法。经过试验表明,能够有效的提高视频编码速度,有效提升编码效率。
【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】：

标准化过程,高清

逦逦北京邮电大学博士学位论文逡逑虽然Ｈ．２６４具有优异的性能和广泛应用领域，但视频压缩研究领域不满足于逡逑Ｈ．２６４目前的性能。经过多年的积累，由ＩＳＯ／ＩＥＣ的ＭＰＥＧ小组和ＩＴＵ－Ｔ的逡逑ＶＣＥＧ邋小组共同组建邋ＪＣＴ－ＶＣ邋（Ｊｏｉｎｔ邋Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ邋Ｔｅａｍ邋ｏｎ邋Ｖｉｄｅｏ邋Ｃｏｄｉｎｇ邋），运作逡逑和启动了针对下一代视频编码技术国际标准的制定流程，订立了新一代视频编码逡逑标准的名称为ＨＥＶＣ邋（Ｈｉｇｈ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋Ｖｉｄｅｏ邋Ｃｏｄｉｎｇ），并且建立了第一个版本的逡逑参考代码，称为考虑中的测试模型（ＴＭｕＣ，Ｔｅｓｔ邋Ｍｏｄｅｌ邋ｕｎｄｅｒ邋Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ），建逡逑立ＡＤ邋ＨＯＣ小组，进行分领域搜集和审阅相关技术提案，并且初步定于２０１３年逡逑完成ＨＥＶＣ标准的最终稿，如图１－１所示。ＨＥＶＣ主要目标是相对于Ｈ．２６４／ＡＶＣ逡逑Ｈｉｇｈ类，将视频编码压缩效率提高一倍，也就是在保证相同视频画质的前提下，逡逑视频流的比特数减少一半［１５］。以上目标虽然极具挑战，但是ＨＥＶＣ通过在混合逡逑编码框架中引入一些先进的算法和技术，己于２０１３年完成了标准的制定。根据逡逑对于测试序列进行试验和统计，ＨＥＶＣ的压缩效率比Ｈ．２６４／ＡＶＣ约提高了三成逡逑至四成左右［１６］。逡逑ＪＣＴ－ＶＣ第一次会议第八次会议产生逦ＨＥＶＣ被ＩＴＵ－Ｔ正式逦ＩＳ０／ＩＥＣ正式发布逡逑

编码树,四叉树结构,宏块,混合编码

由于传统混合编码框架中所采用的宏块（Ｍａｃｒｏ邋Ｂｌｏｃｋ）编码结构较不灵活，逡逑具有局限性，因此在ＨＥＶＣ中引入了更灵活的基于四叉树结构的编码树单元逡逑（Ｃｏｄｉｎｇ邋Ｔｒｅｅ邋Ｕｎｉｔ，ＣＴＵ）的分块结构，如图１－３所示。ＣＴＵ与传统宏块都是基逡逑于块状结构，但是ＣＴＵ更灵活，使得ＨＥＶＣ在预测、编码、变换、量化等过程逡逑中块的尺寸具有更多选择。一个ＣＴＵ由一个亮度ＣＴＵ和两个对应的色度ＣＴＵ逡逑构成。另外，为了方便编码过程中的各个部分能够进行灵活划分和进行算法操作，逡逑ＨＥＶＣ邋还引入了编码单元（Ｃｏｄｉｎｇ邋Ｕｎｉｔ，ＣＵ），预测单元（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ邋Ｕｎｉｔ，邋ＰＵ）逡逑和变换单元（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ邋Ｕｎｉｔ，ＴＵ）等三种不同的块结构单元。逡逑（１）编码树单元逡逑编码树单元（ＣＴＵ）邋［２７２８＿２９３（１３１］是ＨＥＶＣ中进行预测、变换、编码的初始单逡逑元，类似于Ｈ．２６４／ＡＶＣ的宏块结构，都是将图像分为互相不重叠的块状结构。逡逑相较于Ｈ．２６４／ＡＶＣ中宏块结构大小固定为１６ｘ１６大小，ＨＥＶＣ编码树单元的尺逡逑寸不固定，其最大尺寸为６４ｘ６４，最小尺寸为８ｘ８。基于四叉树结构的编码方式逡逑令ＨＥＶＣ编码器能够根据视频内容灵活划分图像

编码单元,示例,编码树,单元

逦＞运动估计逦＞视频输出信号逡逑图１－２ＨＥＶＣ视频编码框架逡逑由于传统混合编码框架中所采用的宏块（Ｍａｃｒｏ邋Ｂｌｏｃｋ）编码结构较不灵活，逡逑具有局限性，因此在ＨＥＶＣ中引入了更灵活的基于四叉树结构的编码树单元逡逑（Ｃｏｄｉｎｇ邋Ｔｒｅｅ邋Ｕｎｉｔ，ＣＴＵ）的分块结构，如图１－３所示。ＣＴＵ与传统宏块都是基逡逑于块状结构，但是ＣＴＵ更灵活，使得ＨＥＶＣ在预测、编码、变换、量化等过程逡逑中块的尺寸具有更多选择。一个ＣＴＵ由一个亮度ＣＴＵ和两个对应的色度ＣＴＵ逡逑构成。另外，为了方便编码过程中的各个部分能够进行灵活划分和进行算法操作，逡逑ＨＥＶＣ邋还引入了编码单元（Ｃｏｄｉｎｇ邋Ｕｎｉｔ，ＣＵ），预测单元（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ邋Ｕｎｉｔ，邋ＰＵ）逡逑和变换单元（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ邋Ｕｎｉｔ，ＴＵ）等三种不同的块结构单元。逡逑（１）编码树单元逡逑编码树单元（ＣＴＵ）邋［２７２８＿２９３（１３１］是ＨＥＶＣ中进行预测、变换、编码的初始单逡逑元

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