視頻編碼功率率失真模型及低復(fù)雜度算法研究.pdf

1、從1948年Shannon提出經(jīng)典率失真理論到現(xiàn)在的半個世紀(jì)中，率失真理論為現(xiàn)代通信特別是基于無線環(huán)境的多媒體通信提供了理論依據(jù)。但是，這些理論都是以碼率為約束、研究碼率和失真之間的關(guān)系。伴隨著無線移動通信技術(shù)的崛起、無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高、集成芯片技術(shù)的快速發(fā)展和具有多媒體處理能力的移動終端的普及，碼率的約束性已經(jīng)越來越弱，而移動終端在處理能力和功耗上所受的制約卻越來越強(qiáng)。無線多媒體終端處理器功耗約束性問題已成為限制移動多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展

2、的主要障礙。因此，如何在終端處理器功率有限的約束條件下，使視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼和傳輸后的失真最小，或是在視頻主觀質(zhì)量降低盡可能小的情況下，減小功耗、延長電池的更新周期，成為移動終端面臨的關(guān)鍵問題。
　　 本文在國家自然科學(xué)基金項目“無線信道下的信道廣義率失真模型研究(60372067)”、“無線移動環(huán)境下復(fù)雜度可分級聯(lián)合功率率失真模型(60572063)”和教育部博士點基金項目“廣義率失真理論及在無線通信中的應(yīng)用(2004048700

3、9)”的共同資助下，對上述問題進(jìn)行了深入的研究，提出并建立視頻編碼的功率率失真模型，目的是將該功率率失真模型作為無線移動環(huán)境下視頻編碼以及終端系統(tǒng)設(shè)計和性能優(yōu)化的理論指導(dǎo)，從而保證在終端功率受限的約束條件下，使視頻數(shù)據(jù)達(dá)到視頻質(zhì)量、信道帶寬和功率耗損動態(tài)平衡的最優(yōu)，為解決視頻編碼系統(tǒng)的最優(yōu)化參數(shù)配置和資源分配提供一種新的理論和方法。具體而言，本文的研究工作主要包括：
　　 ⑴建立視頻編碼功耗模型。根據(jù)編碼功耗和編碼復(fù)雜度之間的對

4、應(yīng)關(guān)系，明確了實現(xiàn)功耗控制的手段是控制算法的復(fù)雜度。在重點分析典型視頻編碼系統(tǒng)的主要技術(shù)模塊復(fù)雜度及其對編碼功耗影響的基礎(chǔ)上，明確指出量化參數(shù)和幀內(nèi)刷新率是影響編碼功耗的主要因素，并定量研究這兩個參數(shù)對編碼功耗的影響，建立視頻編碼功耗模型。實驗結(jié)果表明了該模型的精確性，該模型為設(shè)計復(fù)雜度可伸縮的視頻編碼系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。
　　 ⑵拓展并修正傳統(tǒng)的率失真模型表達(dá)式。傳統(tǒng)的率失真理論認(rèn)為，編碼器的輸出碼率和圖像失真都與量化參數(shù)有關(guān)，

5、為此建立了基于量化參數(shù)的失真模型和碼率模型。本文研究后認(rèn)為，幀內(nèi)刷新率對輸出碼率和圖像失真同樣產(chǎn)生重要的影響。為此，本文將傳統(tǒng)率失真模型的參數(shù)進(jìn)行拓展并對模型進(jìn)行修正，建立更為廣義的失真模型和碼率模型?；诹炕瘏?shù)的傳統(tǒng)率失真模型是該模型的特例，是在一定幀內(nèi)刷新率條件下闡明編碼碼率和編碼失真的關(guān)系。
　　 ⑶建立功率、碼率及失真的三維模型。本文在詳細(xì)分析視頻編碼各個主要模塊的基礎(chǔ)下，提取通用的編碼控制參數(shù)集，明確指出量化參數(shù)和幀

6、內(nèi)刷新率對編碼功耗、編碼失真和編碼碼率的影響，并以量化參數(shù)和幀內(nèi)刷新率作為中間參量對功率、碼率及失真進(jìn)行建模，采用理論推導(dǎo)和實驗仿真相結(jié)合的方法建立功率-碼率-失真三維模型。該模型從本質(zhì)上揭示了視頻質(zhì)量、編碼碼率和編碼功耗之間的內(nèi)在聯(lián)系，并闡明三者之間具有互換性，為設(shè)計符合各種需要的無線通信系統(tǒng)提供了理論指導(dǎo)。
　　 ⑷提出低復(fù)雜度的幀間預(yù)測編碼算法。采用多模式編碼技術(shù)是H.264編碼復(fù)雜度高的主要原因之一，本文將空間相關(guān)性和視

7、頻內(nèi)容運動特征結(jié)合起來，首先利用周圍已編碼宏塊的運動信息和模式信息有效地將視頻劃分為性質(zhì)不同的運動區(qū)域，然后基于率失真優(yōu)化方法選出不同運動性質(zhì)區(qū)域的編碼模式，達(dá)到降低復(fù)雜度的目的。實驗表明，該算法平均節(jié)省編碼時間達(dá)51[％]以上，同時PSNR平均下降約0.09dB，碼率僅提高3.15[％]，有利于無線信道中的實時應(yīng)用。
　　 ⑸建立Rayleigh信道下Turbo 碼誤碼率模型。數(shù)據(jù)傳輸失真是無線通信系統(tǒng)端到端失真的重要組成部分