HEVC高效视频编码快速帧内预测算法研究

摘要

随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，人们对于多媒体的应用也越来越广泛，使得人们在视觉和听觉质量上的要求也不断提高。高效视频编码标准（High Efficiency Video Coding，HEVC）是当前最新的视频压缩编码标准，其发展的目的在于，在保持与上一代视频压缩编码标准H.264/AVC视频质量基本不变的前提下，将视频的压缩率提高一倍，即将生成的视频比特率减少为H.264/AVC的50％，使之能支持高清、超高清视频的压缩。HEVC在维持H.264/AVC编码框架不变的基础上，引入了更多更高效的新技术。在帧内预测过程中，HEVC采用更加灵活的四叉树块编码划分结构，同时引入了更加精细的方向模型，同时将H.264中的9种预测模式扩展到35种，因此使得HEVC大大提高了视频的压缩率，但同时也使得编码复杂度大幅提高，限制了其在实际生活中的应用。为了解决这一问题，本文研究在保持视频质量和比特率基本不变的前提下，如何快速提高HEVC帧内预测过程的编码速度。
　　本文对课题的研究背景和意义、及国内外研究现状做了分析，并且对视频压缩编码发展的历程做了简要介绍。综述了HEVC的编码框架、编码结构及关键技术，并对HEVC帧内预测的编码块划分过程和模式选择过程进行了详细介绍。
　　考虑到HEVC的最优编码块划分结果与编码块的纹理复杂度相关，本文先提出了基于自适应离散化全变差(Diseretization Total Variation，DTV)阈值的快速编码块划分算法。每个编码单元决定分割策略的阈值以图像组(Group of Picture，GOP)的第一帧作为关键帧获取。再采用提出的算法对GOP中的其它非关键帧中的编码单元(Coding Unit,CU)编码，编码时先计算其DTV，并与对应CU大小的阈值进行比较，根据比较结果来决定CU的分割策略，分割的策略包括直接跳过该深度层CU的编码、提前终止编码块分割、或执行原HEVC测试模型(HEVC reference model，HM)中原有的步骤即不做任何处理。为了维持阈值的自适应性，阈值根据每一个GOP中的关键帧不断更新，使之适应视频内容的时间变化。
　　接着在分析了HEVC帧内预测模式选择过程的计算复杂度后，提出了一种基于方向梯度的快速模式决策算法。该算法利用方向模式的方向梯度来同时减少了帧内预测中粗模式选择(rough mode decision，RMD)和率失真优化(rate distortion optimization，RDO)过程中的候选模式数量，来达到减少编码器复杂度的目的。
　　最后，分别对提出的HEVC帧内预测快速编码块划分算法和模式决策算法以及将两个算法组合成一个两步算法进行实验仿真。实验结果表明在保持视频质量和比特率损失微小的前提下，本文算法能有效降低HEVC帧内预测过程中的计算复杂度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 视频编码标准的发展

1．3 国内外研究现状

1．4 本文结构安排

第二章 HEVC编码标准

2．1 HEVC编码框架

2．2 HEVC编码结构

2．2．1 编码块和编码树单元

2．2．2 编码块和编码单元

2．2．3 预测块和预测单元

2．2．4 变换块和变换单元

2．3 HEVC关键技术

2．3．1 HEVC帧内预测

2．3．2 HEVC帧间预测

2．3．3 变换和量化

2．3．4 熵编码

2．3．5 去块滤波

2．4 本章小结

第三章 基于自适应离散化全变差阈值的编码块划分算法

3．1 编码块划分算法分析

3．2 提出的快速块划分算法

3．3 实验结果及分析

3．4 本章小结

第四章 基于方向梯度的快速模式决策算法

4．1 单个深度层的帧内预测模式选择过程

4．2 帧内预测模式选择过程复杂度分析

4．3 基于方向梯度的快速模式决策算法

4．4 实验结果及分析

4．4．1 基于方向梯度的模式决策算法结果分析

4．4．2 整体算法结果分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

附录