视频编码功率率失真模型及低复杂度算法研究

摘要

从1948年Shannon提出经典率失真理论到现在的半个世纪中，率失真理论为现代通信特别是基于无线环境的多媒体通信提供了理论依据。但是，这些理论都是以码率为约束、研究码率和失真之间的关系。伴随着无线移动通信技术的崛起、无线网络带宽的不断提高、集成芯片技术的快速发展和具有多媒体处理能力的移动终端的普及，码率的约束性已经越来越弱，而移动终端在处理能力和功耗上所受的制约却越来越强。无线多媒体终端处理器功耗约束性问题已成为限制移动多媒体业务发展的主要障碍。因此，如何在终端处理器功率有限的约束条件下，使视频数据经编码和传输后的失真最小，或是在视频主观质量降低尽可能小的情况下，减小功耗、延长电池的更新周期，成为移动终端面临的关键问题。
　　 本文在国家自然科学基金项目“无线信道下的信道广义率失真模型研究(60372067)”、“无线移动环境下复杂度可分级联合功率率失真模型(60572063)”和教育部博士点基金项目“广义率失真理论及在无线通信中的应用(20040487009)”的共同资助下，对上述问题进行了深入的研究，提出并建立视频编码的功率率失真模型，目的是将该功率率失真模型作为无线移动环境下视频编码以及终端系统设计和性能优化的理论指导，从而保证在终端功率受限的约束条件下，使视频数据达到视频质量、信道带宽和功率耗损动态平衡的最优，为解决视频编码系统的最优化参数配置和资源分配提供一种新的理论和方法。具体而言，本文的研究工作主要包括：
　　 ⑴建立视频编码功耗模型。根据编码功耗和编码复杂度之间的对应关系，明确了实现功耗控制的手段是控制算法的复杂度。在重点分析典型视频编码系统的主要技术模块复杂度及其对编码功耗影响的基础上，明确指出量化参数和帧内刷新率是影响编码功耗的主要因素，并定量研究这两个参数对编码功耗的影响，建立视频编码功耗模型。实验结果表明了该模型的精确性，该模型为设计复杂度可伸缩的视频编码系统提供理论基础。
　　 ⑵拓展并修正传统的率失真模型表达式。传统的率失真理论认为，编码器的输出码率和图像失真都与量化参数有关，为此建立了基于量化参数的失真模型和码率模型。本文研究后认为，帧内刷新率对输出码率和图像失真同样产生重要的影响。为此，本文将传统率失真模型的参数进行拓展并对模型进行修正，建立更为广义的失真模型和码率模型。基于量化参数的传统率失真模型是该模型的特例，是在一定帧内刷新率条件下阐明编码码率和编码失真的关系。
　　 ⑶建立功率、码率及失真的三维模型。本文在详细分析视频编码各个主要模块的基础下，提取通用的编码控制参数集，明确指出量化参数和帧内刷新率对编码功耗、编码失真和编码码率的影响，并以量化参数和帧内刷新率作为中间参量对功率、码率及失真进行建模，采用理论推导和实验仿真相结合的方法建立功率-码率-失真三维模型。该模型从本质上揭示了视频质量、编码码率和编码功耗之间的内在联系，并阐明三者之间具有互换性，为设计符合各种需要的无线通信系统提供了理论指导。
　　 ⑷提出低复杂度的帧间预测编码算法。采用多模式编码技术是H.264编码复杂度高的主要原因之一，本文将空间相关性和视频内容运动特征结合起来，首先利用周围已编码宏块的运动信息和模式信息有效地将视频划分为性质不同的运动区域，然后基于率失真优化方法选出不同运动性质区域的编码模式，达到降低复杂度的目的。实验表明，该算法平均节省编码时间达51[％]以上，同时PSNR平均下降约0.09dB，码率仅提高3.15[％]，有利于无线信道中的实时应用。
　　 ⑸建立Rayleigh信道下Turbo 码误码率模型。数据传输失真是无线通信系统端到端失真的重要组成部分，研究数据传输失真的常用方法是设定信道的误码率，进而根据编码方式计算数据传输失真。但是这种设定信道误码率的方法并不能实时反映信道的变化特征。本文就如何根据编码端的编码参数来获取信道误码率及信道传输失真等问题进行研究。并推导出在Rayleigh信道条件下Turbo 码误码率的经验模型。该模型对研究信源信道联合编码、端到端的率失真模型及失真预测有着重要的意义。