面向高性能視頻編碼的碼率控制與仿射預測研究.pdf

1、在視頻采集設備和顯示設備都呈日新月異發(fā)展的大背景下，處于視頻傳輸中間階段的視頻編碼技術正面臨著越來越大的壓力，面向高清視頻的最新一代視頻編碼標準高性能視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）相比前一代編碼標準H.264/AVC在相同的主觀質(zhì)量下可以帶來一半的碼率節(jié)省，可以一定程度上緩解視頻編碼面臨的壓力，但是針對目前的需求仍然遠遠不夠，如何在高性能視頻編碼的基礎上充分利用帶寬以及進一步提高編碼性能是

2、目前面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
　　一般來說，最優(yōu)的比特分配以及精確的碼率控制是實現(xiàn)帶寬有效利用的關鍵技術。大多數(shù)的傳統(tǒng)方法都是基于量化參數(shù)來進行碼率控制和比特分配，但是由于在HEVC中，頭信息所占的比特數(shù)大幅度增加，所以基于量化參數(shù)的傳統(tǒng)方法并不適合于HEVC。最新涌現(xiàn)出來了一種基于拉格朗日常數(shù)λ的碼率控制方法可以很精確的控制碼率，但是目前并沒有最優(yōu)的比特分配方法與之相匹配，而且對于高性能視頻編碼可伸縮擴展是否適用也需要仔細研究。

3、　　另外，從編碼性能的角度，在高性能視頻編碼中也僅僅使用了平移運動模型，所以最新的視頻編碼標準也仍然無法有效的刻畫非常復雜的運動，而復雜的運動又往往是視頻中最消耗比特數(shù)的部分，因此在高清視頻編碼上如何有效的引入更高階的運動模型以更好的刻畫復雜運動同樣也是非常關鍵的一個問題。大多數(shù)傳統(tǒng)的高階運動模型方法都無法在編碼性能以及編解碼復雜度這兩方面找到一個平衡，所以高階運動模型遲遲沒有進入視頻編碼標準的范疇。
　　本文試圖從以上兩個方面進

4、一步提升有限帶寬下的視頻質(zhì)量。一方面盡量在HEVC盡量實現(xiàn)最優(yōu)的比特分配和精確的碼率控制，以實現(xiàn)帶寬的更有效利用，另一方面引入高階運動模型實現(xiàn)視頻中復雜運動的更好刻畫，以進一步提高編碼效率。
　　論文的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　(1)本文針對HEVC的λ域碼率控制方法提出了一種最優(yōu)比特分配方案。首先，本文提出了一個完整的λ域R-D分析框架，除了現(xiàn)有工作中的R一λ模型用來表示R和λ之間的關系，本章提出了一個全新的D-λ模型來表

5、示D和λ之間的關系。其次，本文基于此完整的λ域R-D分析框架和基本的R-D優(yōu)化理論提出了一種與內(nèi)容相關的最優(yōu)圖片級比特分配算法。再次，本文基于完整的λ域R-D分析框架和基本的R-D優(yōu)化理論同時提出了與內(nèi)容相關的基本單元級比特分配算法。實驗結(jié)果表明，本文提出的為HEVC設計的最優(yōu)比特方案相比傳統(tǒng)方法可以實現(xiàn)明顯率失真性能提升。本文提出的圖片級以及基本單元級比特分配算法被國際標準化組織JCT-VC接受且集成進入了HEVC參考軟件。
　

6、　(2)本文針對HEVC可伸縮擴展提出了一種最優(yōu)的碼率控制方案。首先，本文為可伸縮視頻編碼每一層的第一幀提出了一種最優(yōu)的初始目標比特數(shù)以及初始編碼參數(shù)決定算法以實現(xiàn)更好的R-D性能。其次，本文基于根本的率失真優(yōu)化理論聯(lián)合考慮層內(nèi)和層間的依賴關系為空間和質(zhì)量可伸縮的幀間圖片設計了一種最優(yōu)比特分配算法。最后，本文提出了一個針對R-λ模型的自適應更新算法來精確的估計碼率控制模型參數(shù)以實現(xiàn)更好的碼率控制精度。實驗結(jié)果表明，本文提出的為HEVC可

7、伸縮擴展設計的碼率控制方案相比傳統(tǒng)方法可以在精確的碼率控制下顯著提高率失真性能。
　　(3)本文針對HEVC提出了一種低復雜度仿射運動補償框架以更好的刻畫復雜運動。首先，本文提出了一個支持多參考幀的四參數(shù)仿射運動補償框架。其次，本文提出了兩種決定仿射運動矢量的方式:先進的仿射運動矢量預測模式以及仿射模型融合模式;特別地，與先進的仿射運動矢量預測模式相結(jié)合，提出了一種基于梯度下降的快速仿射運動估計算法。最后，本文提出了兩個工具以減少