视频编码率失真特性及帧编码复杂度模型研究

摘要

率失真理论研究在限定失真的情况下，为了恢复信源符号所必需的信息率。如果信源输出的信息率大于信道的传输能力，就必须对信源进行压缩，但同时要保证压缩所引入的失真不超过预先规定的限度。由于数字视频的信息量巨大，如何有效地存储视频信息以及在有限的带宽下对其进行传输及应用是一个亟待解决的问题。因此视频图像压缩技术成为一个重要且有效的手段。
　　 作为视频编码中率失真优化的理论依据，率失真定理被广泛地研究。本文着重分析了率失真理论和率失真模型的建模方法，创新性地分析了H.264/AVC码率提案中采用的二次率失真模型误差并提出了新的联合率失真模型。针对帧编码复杂度在率失真模型中的作用及其对码率控制算法性能的影响，提出了新的Ⅰ-帧和P-帧编码复杂度模型及相应的帧间和帧内码率控制算法。大量且广泛的实验测试数据表明，新的码率控制算法能够有效地控制虚拟缓冲区，精确地达到目标输出比特率，明显地减少不期望的跳帧，在提高视觉质量的同时也保持了视觉质量的平滑稳定。全文的主要的创新和研究成果包括：
　　 1．视频编码率失真模型及率失真特性分析，从理论及实验验证方面着重分析了二次率失真模型的误差。包括二次模型误差，MAD正比模型误差及JVT-G012提案中线性跟踪模型预测误差三个方面，并进行大量拟合实验。更进一步，分析了新的指数型率失真模型特性，为联合率失真模型的提出提供了理论基础。
　　 2．提出了两种帧编码复杂度模型。针对Ⅰ-帧和P-帧不同的帧特性，由于Ⅰ-帧编码采用帧内预测，因此其编码复杂度通过直接统计像素点平均几何梯度值获得；对P-帧编码复杂度通过五种预测方式进行预测，模型根据编码效果优化选择性能最好的一种作为当前帧编码复杂度并进行编码。实验表明新的Ⅰ-帧及P-帧编码复杂度模型均较高地拟合了实际的编码帧复杂度。
　　 3．在帧编码复杂度R-C(Rate-Complexity)模型和指数型R-Q(Rate-Quantization)模型基础上，提出一种联合率失真模型并分析其新特性。由于指数模型具有求导不变性，根据联合模型的一阶全微分，简化了模型参数并获得了模型参数的更新方法。三维图进一步验证了联合率失真模型中R-C和R-Q部分的关系分别满足线性及指数函数关系。
　　 4．针对Ⅰ-帧编码计算及延迟小的优点，提出了全Ⅰ-帧编码码率控制算法，算法在H.264/AVC标准的参考软件平台JM13.2上编码实现并和首次提出全Ⅰ-帧编码的JVT-W042算法进行性能比较，获得了更精确的缓冲区控制及更高的解码后视觉质量。
　　 5．提出了基于优化选择的帧编码复杂度模型和联合率失真模型的P-帧编码码率控制算法。给出了全文模型算法实现的参数配置及编码器参数配置，并给出了实现记录结果。本文提出的帧间码率控制算法同样获得了较高的视觉质量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 视频图像压缩过程

1.2.1 视频图像的信息冗余

1.2.2 视频图像编解码过程

1.3 视频图像压缩标准

1.3.1 MPEG

1.3.3 AVS

1.4 视频图像测试标准

1.4.1 标准化图像格式

1.4.2 数字高清视频格式

1.5 码率控制核心问题

1.5.1 失真

1.5.2 复杂度

1.5.3 实际应用范围

1.5.4 H.264/AVC码率控制问题

1.6 本文主要研究成果和内容安排

1.6.1 主要研究成果

1.6.2 内容安排

第二章 率失真特性分析

2.1 引言

2.2 视频图像率失真基础

2.2.1 率失真理论

2.2.2 码率控制与实用率失真理论

2.2.3 率失真优化技术

2.3 率失真模型

2.3.1 p-域模型

2.3.2 二次模型

2.3.3 指数模型

2.4 二次率失真模型误差分析

2.4.1 MAD模型误差的理论推导

2.4.2 线性跟踪模型预测误差分析

2.5 二次模型误差实验分析

2.6 小结

第三章 帧编码复杂度模型研究

3.1 引言

3.2 帧编码复杂度分析

3.2.1 视频流的帧类型

3.2.2 视频帧编码复杂度

3.3 帧内预测编码复杂度计算模型

3.3.1 几何梯度模型

3.3.2 复杂度统计模型

3.3.3 模型性能比较

3.3.4 实验结果分析

3.4 帧间编码复杂度优化选择模型

3.4.1 编码复杂度预测模式

3.4.2 优化选择预测方法

3.4.3 实验结果分析

3.5 小结

第四章 联合率失真模型

4.1 引言

4.2 模型的提出

4.2.1 率失真模型三元关系

4.2.2 联合率失真模型的表达形式

4.3 模型新特性

4.3.1 一阶全微分求导

4.3.2 帧编码比特估计

4.4 小结

第五章 性能评价体系及参数配置

5.1 引言

5.2 假想参考解码器

5.2.1 漏桶模型的定义

5.2.2 漏桶模型原理

5.2.3 最小缓冲区大小和最小传输比特率

5.3 视频编码性能评价体系

5.3.1 视频质量评价标准

5.3.2 客观质量评价

5.3.3 客观质量评价的局限

5.4 编码器参数配置

5.4.1 基本参数

5.4.2 编码器参数

5.4.3 码率控制参数

5.5 编码器输出和报告

5.5.1 编码记录

5.5.2 输出文件

5.5.3 实际编码图像结果

5.6 小结

第六章 帧内预测码率控制算法

6.1 引言

6.2 算法基础

6.2.1 帧编码复杂度

6.2.2 目标比特估计

6.2.3 模型参数更新

6.3 算法结构及步骤

6.3.1 码率控制算法结构

6.3.2 初始化状态

6.3.3 量化参数计算

6.3.4 编码后状态

6.4 编码测试和性能分析

6.5 小结

第七章 帧间预测码率控制算法

7.1 引言

7.2 算法基础

7.2.1 帧比特分配

7.2.2 QP值计算

7.2.3 模型参数更新

7.2.4 跳帧检测和处理

7.3 算法结构及步骤

7.3.1 初始化状态

7.3.2 量化参数计算

7.3.3 编码后状态

7.3.4 码率控制算法流程

7.4 编码测试和性能分析

7.5 小结

第八章 结论

8.1 全文工作总结

8.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果