HEVC帧内预测快速算法研究

摘要

最新一代视频编解码H.265/HEVC标准，主要针对大尺寸视频2K、4K、8K、多路视频、超高精度视频、3D视频设计。在同等视频质量下HEVC编码码率要比上一代H.264/AVC标准节省近50%，但同时带来了巨大的计算复杂度。如产生90%以上流量的移动端，因计算能力受限且性能参差不齐，所以无法使用原始HEVC编码器实现实时编码。因此，如何保证视频质量基本不变的情况下降低编码复杂度，快速高效地编码，是亟待研究者们解决的问题。帧内预测是视频编码关键技术之一，模式选择和编码块划分是主要影响HEVC帧内编码复杂度的两个过程。本文对帧内预测模式快速选择以及提前划分编码单元两个方面进行了深入研究。　　1.帧内预测模式选择优化，分别减少进入粗选模式和率失真优化两个过程遍历预测模式数量。粗选过程对不同块采用不同算法，通过分析最大预测块与最佳模式选择的统计关系提出一种基于统计概率分层决策算法。通过各项同性Sobel算子和像素值偏差分别提取32×32，16×16和8×8，4×4预测块纹理方向，提出一种基于纹理方向的模式快速选择算法。率失真优化过程是通过分析粗选候选模式、最可能模式以及非角度模式与最佳模式的统计关系，提出一种基于RDO模式快速选择算法。这有效减少RMD和RDO两个过程需要计算的模式数量，从而降低计算复杂度。实验结果与官方测试模型HM16.9相比，此算法可减低36.6%编码时间，而BD-BR仅增加1.26%。　　2.帧内预测编码块划分优化，提出一种支持向量机的编码块快速划分算法。分别选取纹理同质性、纹理梯度复杂度和子编码块与父编码块的纹理同质性差异以及梯度复杂度差异作为训练特征值，用两个支持向量机进行训练模型，得到编码块划分决策函数，提前判定编码块划分类型。实验表明，该算法能节省43.9%的编码时间，BD-BR仅增加0.46%。　　为了整体提升帧内预测编码性能，综合预测模式选择优化和编码块划分优化两种算法，可以同时降低编码块划分复杂度和模式预测复杂度。实验结果表明，与官方测试模型HM16.9相比，编码时间平均减少56.6%，码率仅增加了1.52%，BD-PSNR在可接受范围内。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 视频编码标准发展

1.3 国内外研究现状

1.3.1 帧内预测模式快速选择研究现状

1.3.2 帧内预测编码块快速划分研究现状

1.4 本文研究内容及章节安排

1.4.1 研究内容

1.4.2 本文章节安排

第二章 HEVC标准编码技术

2.1 HEVC标准混合编码框架

2.2 HEVC编码结构

2.2.1 条和片划分

2.2.2 树形编码块

2.3 HEVC关键技术

2.3.1 帧内预测

2.3.2 帧间预测

2.3.3 变换量化

2.3.4熵编码(Entropy Coding)

2.3.5 环路后处理

2.4 参考软件

2.5 本章小结

第三章 帧内预测模式快速选择算法

3.1 HEVC帧内预测模式选择复杂度分析

3.2 基于统计概率分层决策算法

3.2.1 帧内预测最佳模式分布特点

3.2.2 基于统计概率分层决策算法

3.2.3 算法流程

3.3基于纹理特征预测快速算法

3.3.1 各向同性Sobel算子梯度提取

3.3.2 快速纹理方向提取

3.4 基于RDO快速选择算法

3.3.1 基于RDO优化算法

3.4.2 算法流程

3.5 帧内预测模式快速选择实验结果与分析

3.5.1算法总体流程图

3.5.2实验环境与评价指标

3.5.3实验结果与分析

3.6 本章小结

第四章 帧内预测编码块快速划分算法

4.1 帧内预测编码块划分与复杂度分析

4.1.1 帧内预测CU划分过程

4.1.2 CU划分复杂度分析

4.2 基于纹理特征的CU选择算法

4.2.1 纹理特征提取

4.2.2 支持向量机分类技术

4.2.3样本选取与模型训练

4.3 帧内CU快速划分实验结果与分析

4.3.1 算法流程

4.3.2 实验结果与分析

4.3.3 综合算法实验结果与分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 研究展望

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢