高效視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，視頻多媒體應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了人類生活的各個方面。大量的視頻應(yīng)用產(chǎn)生了海量的視頻數(shù)據(jù)，尤其是近年來高清和超高清視頻應(yīng)用越來越廣泛，相比于標清視頻，高清視頻分辨率更高、畫面更清晰，但是數(shù)據(jù)量更大。如果未經(jīng)壓縮，這些視頻將很難應(yīng)用于實際的存儲和傳輸。因此視頻壓縮編碼技術(shù)是視頻應(yīng)用中的一項關(guān)鍵技術(shù)。視頻數(shù)據(jù)量的增大使得現(xiàn)有的編碼標準不能適應(yīng)現(xiàn)實的應(yīng)用需求。為此，ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定了新一代視頻編

2、碼標準HEVC。相比于以往的標準，HEVC具有更高的壓縮效率和更優(yōu)的畫面質(zhì)量，所以該標準具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，HEVC在獲得高效的編碼性能的同時也帶來了巨大的編碼復雜度，嚴重影響了該標準的應(yīng)用和推廣。因此，在保持HEVC編碼性能的前提下，有效降低編碼計算復雜度是該標準獲得成功的關(guān)鍵因素，也是高清視頻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的迫切需求。
　　由于編碼單元的編碼幾乎包括了HEVC中所有的編碼模塊，對編碼單元的選擇占用了HEVC絕大部分的

3、編碼時間，因此為降低HEVC的編碼復雜度，本文重點針對其中的幀內(nèi)編碼單元選擇和幀間編碼單元選擇等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，主要研究成果包括：
　　第一，提出了基于非歸一化梯度直方圖碼書的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。首先，通過圖像相關(guān)模型分析了幀內(nèi)率失真代價與圖像最強相關(guān)方向相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，確立了幀內(nèi)編碼單元分塊模式與非歸一化梯度直方圖之間的相關(guān)性，定義了非歸一化梯度直方圖特征。其次，設(shè)計了基于模糊聚類的碼書訓練方法，并提出了基于該碼書

4、的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。該方法根據(jù)幀內(nèi)預測的特點，為幀內(nèi)編碼單元快速選擇提供了相關(guān)特征，平均節(jié)省百分之三十的編碼時間。
　　第二，利用非歸一化梯度直方圖特征，提出了基于模板匹配的幀內(nèi)編碼單元快速選擇算法。設(shè)計了先入先出隊列的編碼單元編碼信息保存機制，以及K近鄰相似編碼單元對當前編碼單元分塊模式的判斷方法。該方法借鑒了圖像處理中模板匹配的思想，有效地利用了已編碼的編碼單元相關(guān)信息。這些信息對當前編碼單元分塊模式的選擇具有重要的參

5、考價值。
　　第三，提出了基于金字塔運動散度的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，結(jié)合相鄰幀像素之間的運動特性和圖像相關(guān)模型，證明了幀間率失真代價與運動矢量方差之間的正相關(guān)關(guān)系，把編碼單元運動矢量方差的概念定義為運動散度。其次，設(shè)計了用于編碼單元分塊模型選擇的金字塔運動散度特征，以及基于下采樣光流估計的特征提取方法；最后，提出了基于K近鄰搜索的幀間編碼單元快速選擇算法。該方法根據(jù)幀間預測的特點，為幀間編碼單元快速選擇提供了相關(guān)特征，有

6、效地降低了幀間編碼計算復雜度。
　　第四，提出了基于馬爾科夫隨機場的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，將編碼單元的選擇問題作為一個標簽問題，并將編碼單元的分塊模式定義為一個馬爾科夫隨機場，然后用經(jīng)典的圖割理論來對編碼單元分塊模式進行求解。其次，在運動散度特征的基礎(chǔ)上，分析得出絕對差值方差與率失真代價正相關(guān)關(guān)系，并依此設(shè)計了相關(guān)特征。最后，提出了基于率失真代價的最大后驗方法，該方法對Unsplit編碼單元是否需要繼續(xù)按Split模式編

7、碼進行了判斷。馬爾科夫隨機場模型可以有效地將編碼單元的自身特征與起上下文信息有效地結(jié)合起來。
　　最后，提出了基于雙層運動估計的幀間編碼單元快速選擇算法。首先，設(shè)計了一種雙層運動估計方法，該方法同時保存了編碼單元及其子編碼單元的絕對差值和代價。其次，定義了運動補償代價的概念及其指數(shù)表示模型，該模型的變量為運動估計絕對差值和以及量化參數(shù)。最后，通過運動補償代價模型推導編碼單元分塊模式的判斷閾值，提出了相應(yīng)的編碼單元快速選擇算法。該方