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基于率失真优化的视频转码技术研究

基于率失真优化的视频转码技术研究

作者：辛龙坤重庆邮电大学

学位级别：硕士

大数据时代,视频数据量在不断增加,视频编码技术也在不断发展。实际应用中H.264和高效视频编码(High efficiency video coding,HEVC)标准共同存在,通用视频编码(Versatile Video Coding,VVC)标准也逐渐登上历史舞台。由于不同编码标准... 详细信息

大数据时代,视频数据量在不断增加,视频编码技术也在不断发展。实际应用中H.264和高效视频编码(High efficiency video coding,HEVC)标准共同存在,通用视频编码(Versatile Video Coding,VVC)标准也逐渐登上历史舞台。由于不同编码标准的编码器在以后很长一段时间都会共存,这使得视频转码技术的研究十分具有意义。现存的视频转码算法常存在编码复杂度高和压缩性能低的问题,故本文考虑将时域率失真优化算法引入到视频转码领域以提升其压缩性能。在视频转码领域,商业界和学术界的主要关注点是H.264到HEVC视频转码和HEVC到VVC视频转码,故本文主要工作如下:本文提出基于率失真优化和运动矢量重用的H.264到HEVC视频转码算法。所提算法先对8×8和16×16大小编码单元(Coding Unit,CU)的预测模式判别过程进行简化,以进一步降低基于运动矢量重用的H.264到HEVC视频转码算法的复杂度。本文将时域率失真优化算法引入H.264到HEVC视频转码算法,并提出一种新的时域失真传播链路构建方法,即使用从H.264解码出的运动矢量来加速失真传播链路的构建。从第二帧起,转码器为每个树形编码单元(Coding Tree Unit,CTU)计算传播因子,并根据传播因子自适应地调整CTU的拉格朗日乘子。实验结果表明在lowdelay＿p配置下,所提转码算法与HEVC官方参考软件HM16.9相比以平均0.63%的BDBR增加换取平均40.5%的编码时间节省。本文提基于率失真优化和贝叶斯分类的HEVC到VVC视频转码算法。本文使用HEVC解码出的特征信息训练了一个朴素贝叶斯分类器,并使用该分类器对VVC的CTU的第一层级做划分决策。如果贝叶斯分类器将CTU划分成4个子CU,转码器编码每个子CU时会先继承HEVC所有层级的四叉树结构,然后再进行BT(Binary tree)和TT(Ternary tree)划分评估即可。如果贝叶斯分类器不对CTU进行四叉树划分,转码器对该CTU进行编码时会执行VVC原有编码方案。为进一步提升转码器的压缩能力,本文将时域率失真优化算法迁移到HEVC到VVC视频转码算法。转码器不仅可以在CTU级别对拉格朗日乘子进行自适应调整,而且对I帧的QP也做了自适应调整。实验结果表明在lowdelay＿p配置下,所提转码算法与VVC官方参考软件VTM2.1相比以平均0.92%的BDBR增加换取平均42.78%的编码时间节省,与最新转码算法相比仍具竞争力。

关键词：视频编码视频转码率失真优化

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基于VMAF的HEVC率失真优化方法研究

基于VMAF的HEVC率失真优化方法研究

作者：宛炀中南大学

学位级别：硕士

计算机和通信技术的巨大进步带来了数字媒体内容的激增。视频压缩仍然作为缓解内容和带宽矛盾的重要技术。高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC),相对于上一代标准整体编码性能有了很大提高,也得到越来越广泛的应用,因此对H... 详细信息

计算机和通信技术的巨大进步带来了数字媒体内容的激增。视频压缩仍然作为缓解内容和带宽矛盾的重要技术。高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC),相对于上一代标准整体编码性能有了很大提高,也得到越来越广泛的应用,因此对HEVC编码器进行优化有很大的实际价值。目前,在HEVC的率失真优化中,常采用的还是传统客观视频质量评价指标来指导编码的决策过程,没有考虑人眼视觉特性,导致最终的优化结果可能与人眼的主观感知质量存在着较大误差。针对这一问题,本文研究了基于主观感知质量评价指标VMAF(视频多方法评估融合)率失真优化方法,为将VMAF引入率失真决策过程,提出了两种解决方法。具体研究内容和贡献如下:(1)基于后处理信息的VMAF率失真优化方法:考虑到SSE(失真前后图像的差值平方和)和VMAF失真之间存在关联性,本文提出使用视频后处理信息来关联SSE和VMAF失真,并通过帧级和CTU(块)级来调整拉格朗日乘数的方法,以构建基于VMAF失真度量的率失真优化框架,从而提升编码压缩性能。实验结果表明,该方法以原来编码时间211%～212%为代价,在相同的主观VMAF质量下,平均码率节省了2.72%～3.11%。(2)基于最小可觉差的VMAF率失真优化方法:另外,还考虑到现有方法的时间复杂度过高的问题,本文从VMAF评价标准背后的人眼视觉特性出发,综合人眼视觉感知的各种掩蔽效应改进了最小可觉差模型,并提出通过最小可觉差关联VMAF失真来调整拉格朗日乘数的方法,以构建基于VMAF失真度量的率失真优化框架来提升编码压缩性能。实验结果表明,该方法在相同的主观VMAF质量下,平均码率节省了2.91%,编码时间仅为原来的105%。总而言之,本文提出的两种方法都能很好地将VMAF感知失真引入HEVC率失真优化过程中,解决了传统率失真优化中不准确的质量衡量问题。在相同的主观VMAF质量下都实现了码率节省,在缓解网络带宽压力方面具有很好的应用价值。论文中含有图29幅,表13个,参考文献81篇

关键词：视频编码高效视频编码(HEVC) 率失真优化视频多方法评估融合(VMAF) 后处理信息最小可觉差

会议视频场景下X264率失真优化与屏幕视频编码研究

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会议视频场景下X264率失真优化与屏幕视频编码研究

作者：赵犇电子科技大学

学位级别：硕士

由于新冠疫情的爆发,远程办公需求增加,带动了云视频行业需求,视频会议逐渐得到更加广泛的使用。H.264具有较高的压缩比以及良好的网络亲和性等优势,x264作为符合H.264编码标准的编码器,在拥有不错压缩性能的同时其本身还是一个开源的项... 详细信息

由于新冠疫情的爆发,远程办公需求增加,带动了云视频行业需求,视频会议逐渐得到更加广泛的使用。H.264具有较高的压缩比以及良好的网络亲和性等优势,x264作为符合H.264编码标准的编码器,在拥有不错压缩性能的同时其本身还是一个开源的项目,因此其占有率依然非常的高。虽然视频会议在当下有着极大的应用范围,但是x264视频编码器并不能很好的满足视频会议场景的编码压缩需求,在针对会议视频编码时目前存在一些问题,由于单单考虑当前编码单元的信息来进行率失真优化,忽略了当前编码单元对于后续编码单元的影响,与此同时对于会议视频的屏幕内容共享来说,由于其鲜明的特点,即拥有大量静止的视频帧却依然进行传输。此次是对x264编码器在面向网络会议视频场景的以下方面进行优化与改进:(1)针对与会议视频的人像部分,由于人像视频是一个运动缓慢且前后关联性非常强的一个场景。因此需要将当前编码单元对后续编码单元的影响考虑进来进行率失真优化。我们通过预读取帧来估计当前帧对于后续的影响的大小来对其编码参数进行调整,而我们如果获取了后续帧则会破坏会议视频的实时性。在本文中将利用会议场景下人像视频的特点,通过对建立一条向后传播的时域传播链,来对当前编码单元的重要性来进行估计,与前向相比性能平均仅下降0.06%。(2)针对会议视频的屏幕共享部分,屏幕共享内容多为分享文档,幻灯片等内容,且在分享时进行讲解,从而导致屏幕共享内容长时间处于静止状态。而这些帧并不需要进行传输,因此通过分析屏幕内容来进行有选择性的传输,从而大大减少需要传输的内容,对于完全静止的六百帧自采序列,编码性能提升平均为40.58%,自采正常屏幕序列平均提升有9.08%。同时屏幕内容有着许多不自然的纹理,边缘。通过关闭滤波模块,从而使得屏幕内容的纹理与边缘能够较好保留,从而提升编码的质量,自采正常屏幕序列平均提升有1.00%。

关键词：视频编码率失真优化时域失真传播屏幕内容处理

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HEVC中率失真优化算法的动态可重构实现

计算机工程与科学 2021年第2期43卷 354-361页

作者：杨坤蒋林谢晓燕邓军勇刘新闯胡传瞻西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121 西安科技大学集成电路实验室陕西西安710054 西安邮电大学计算机学院陕西西安710121

基于视频阵列处理器高效视频编码HEVC实现中,HEVC灵活的编码块增加了率失真优化算法硬件实现的难度,难以实现阵列规模和不同块的灵活切换。针对这一问题,提出一种动态可重构的率失真优化实现方法。基于上下文切换的动态重构机制,完成不... 详细信息

基于视频阵列处理器高效视频编码HEVC实现中,HEVC灵活的编码块增加了率失真优化算法硬件实现的难度,难以实现阵列规模和不同块的灵活切换。针对这一问题,提出一种动态可重构的率失真优化实现方法。基于上下文切换的动态重构机制,完成不同规模、不同块大小算法之间的灵活切换,并以率失真优化算法作为帧内模式选择的判别依据,实现帧内预测的模式重构。实验结果表明,与专用硬件实现的率失真优化算法相比,在算法灵活切换的同时,硬件面积减少了8.2%,算法执行的时钟周期数减少了16.5%。

关键词：动态可重构高效视频编码率失真优化阵列处理器

基于统计模型进行率失真优化的加密图像压缩算法

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中山大学学报（自然科学版） 2017年第5期56卷 64-72,78页

作者：冯阳王春桃华南农业大学数学与信息学院广东广州510642

如何对加密数据进行有效压缩和高质量重构是云计算环境中颇具挑战性的一个研究问题。其挑战性主要来自于云用户的加密操作掩盖了载体数据的统计特性,从而使得云端的压缩很难像常规压缩那样充分利用载体的统计特性。在小波系数统计模型... 详细信息

如何对加密数据进行有效压缩和高质量重构是云计算环境中颇具挑战性的一个研究问题。其挑战性主要来自于云用户的加密操作掩盖了载体数据的统计特性,从而使得云端的压缩很难像常规压缩那样充分利用载体的统计特性。在小波系数统计模型吻合度评估的基础上,提出了一种基于统计模型进行率失真优化的加密图像压缩算法。将灰度图像经提升小波分解后的低频子带和小波子带分别进行流密码加密和置乱加密,然后再分别进行无损和有损压缩,最后进行相应的逆操作而重构原图像。鉴于充分的评估实验表明柯西分布能更良地表征图像小波系数,因此利用柯西分布来表征小波系数,并在此基础上利用率失真理论推导有损压缩用的最优量化步长。实验仿真结果表明,所提出的加密图像压缩算法能获得良好的压缩效率和重构质量,且能显著优于同类经典算法,并与常规的JPEG压缩算法性能相当甚至更好。

关键词：加密域信号处理率失真优化柯西分布提升小波变换

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基于失真反向传播的时域依赖率失真优化

通信学报 2022年第12期43卷 222-232页

作者：郭红伟朱策杨栩罗雷红河学院工学院云南蒙自661100 电子科技大学信息与通信工程学院四川成都611731 重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 成都师范学院物理与工程技术学院四川成都611130

率失真优化是基于块的混合视频编码器中一项关键技术,然而广泛采用的独立率失真优化远未取得最优编码性能。为提升高效视频编码的率失真性能,提出了一种时域依赖率失真优化算法。首先,采用指数形式率失真函数,推导出时域失真传播因子的... 详细信息

率失真优化是基于块的混合视频编码器中一项关键技术,然而广泛采用的独立率失真优化远未取得最优编码性能。为提升高效视频编码的率失真性能,提出了一种时域依赖率失真优化算法。首先,采用指数形式率失真函数,推导出时域失真传播因子的计算式;然后,通过预编码获得编码失真和运动补偿预测误差,并采用失真反向传播估算时域失真传播因子;最后,自适应地调节编码树单元的拉格朗日乘子和量化参数,以优化编码比特资源分配。实验结果显示,在低时延编码配置下,相比于高效视频编码的率失真优化算法,所提算法在获得同等重建视频质量的前提下,将所有测试视频码率平均节省4.4%,BasketballDrill序列码率最高节省13.0%。

关键词：高效视频编码率失真优化率失真依赖失真传播模型自适应拉格朗日乘子

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视频编码的变换技术和率失真优化技术研究

视频编码的变换技术和率失真优化技术研究

作者：丁可可电子科技大学

学位级别：硕士

视频编码技术已经发展了几十年,为人们的日常生活带来了许多便利。但是仍有两个问题亟待解决,实时性不足和编码性能不足。HEVC和VVC采纳了许多新技术,导致复杂度过高,编解码的速度不足;视频清晰度越来越高,现有的视频编码技术所能提供... 详细信息

视频编码技术已经发展了几十年,为人们的日常生活带来了许多便利。但是仍有两个问题亟待解决,实时性不足和编码性能不足。HEVC和VVC采纳了许多新技术,导致复杂度过高,编解码的速度不足;视频清晰度越来越高,现有的视频编码技术所能提供的编码性能不足。本文将从H.265/HEVC和H.266/VVC两个编码标准出发,对视频编码的变换和率失真优化两方面的技术进行深入地探究,从而实现减少视频编码复杂度、对视频进行更优质压缩的目的,主要研究工作和创新点如下:1.针对变换技术中的DCT-4/DST-4矩阵提出了基于矩阵分解的快速计算方法。具体分析了DCT-4/DST-4矩阵的特点,分析了其相较于DCT-2矩阵的不足之处和其仍能进行快速计算的原因是因为其在不考虑正负号的情况下具有原点对称性。在此基础上首先提出了基于4×4矩阵的快速计算方法,可以减少43.75%的乘法次数,后又整体考虑所有4×4矩阵的快速计算,找到其中重复计算的中间变量,可以进一步减少所需的加法次数。在前面方法的基础上又提出基于2×2矩阵的快速计算方法,乘法次数可以减少为原有方法的(3/4)。基于4×4矩阵的快速计算方法应用到H.266/VVC的测试平台VTM3.0.1中,采用视频编码标准的通用视频序列进行测试,编码时间平均减少3.7%,解码时间平均减少9.4%,且没有带来任何性能损失。2.针对随机接入层次结构下时域率失真优化技术,分析现有编码标准中采用的独立率失真优化技术的不足之处以及随机接入层次编码结构下的时域依赖关系,并以此构建时域传播链。然后将率失真优化问题分解成基于时域层的形式,引入了传播因子这个参数来估计失真传播的程度并利用计算得到的传播因子修正率失真优化过程。本方法考虑了帧与帧之间的相关性,弥补了之前独立率失真优化的不足。实验表明,在H.266/VVC的测试平台VTM3.0中,此方法在RA条件下亮度分量平均可以带来0.76%的编码BD-Rate节省,在背景固定的视频序列,在帧与帧之间的相关性明显的E序列上可以获得1.5%的BD-Rate节省。

关键词：视频编码变换率失真优化

视频编码标准帧间预测、码率控制及率失真优化技术研究

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视频编码标准帧间预测、码率控制及率失真优化技术研究

作者：蒋妮电子科技大学

学位级别：硕士

在新兴技术飞速发展的时代,科学技术也在与时俱进,视频应用也趋向于多样化、超清化发展,促使了下一代视频编码标准H.266的诞生、发展与优化。与上一代视频编码标准H.265的压缩性能进行对比,H.266编码标准在相同的视频序列与相同测试条件... 详细信息

在新兴技术飞速发展的时代,科学技术也在与时俱进,视频应用也趋向于多样化、超清化发展,促使了下一代视频编码标准H.266的诞生、发展与优化。与上一代视频编码标准H.265的压缩性能进行对比,H.266编码标准在相同的视频序列与相同测试条件下,编码增益提高了30%。视频编码标准都采用了混合视频编码框架,H.266编码标准也沿用了这个框架,并且对块的划分、帧内预测、帧间预测等模块相关技术进行了改进。本文重点针对视频编码中帧间预测、码率控制、率失真优化三个模块中的相关技术进行了研究和分析,对其中的关键技术进行了优化改进,并取得一定的编码增益。本文主要的研究工作可以分为以下三点:1、在帧间预测过程中,运动矢量的传输是非常重要的。更精细的运动矢量精度能够提供更准确的预测,由此得到的估计失真会更小,并能有效的去除时域冗余。在最新的编码标准H.266/VVC中,运动矢量精度有3种,并且用可变长的2比特的标志位来传输运动矢量信息。本文针对帧与帧之间的相关信息,对前一帧中的相关运动矢量精度信息进行统计,待编码帧中的运动矢量精度信息参考前一帧的信息,并且将使用最多的运动矢量精度信息分配最少的比特进行传输,反之,使用最少的运动矢量精度信息分配最多的比特,以此来实现传输运动矢量精度信息的标志位所占用比特进行自适应的分配,节省编码比特,提高编码效率。2、本文主要针对新编码标准H.266的随机接入配置层次编码结构中的时域依赖率失真优化问题,分析了GOP=16的层级时域依赖关系,建立了时域传播链,并对失真进行估计,进而求得拉格朗日乘子,最后解决率失真优化问题。在本文中对失真进行估计时,引入了权重失真因子,对失真进行微调和改进,让失真的估计更加准确。其次,对层级的QP进行了修正和调整,通过聚合传播因子调整拉格朗日乘子。该方法对通测序列都有一定的编码增益,其中,背景类似的序列编码压缩性能效果显著。3、码率控制包括目标比特分配和量化参数的确定两个主要步骤。在进行目标比特分配时,分为GOP级、帧级、CTU级,本文针对GOP=16提出了一种新的基于λ域帧级目标比特分配,帧级目标比特分配分为均匀比特分配、固定比特分配和自适应比特分配。在固定比特分配中,统计所有通测序列的各层图像所用比特,利用最小二乘法为各层图像分配比特权重。对于自适应比特分配,统计通测序列QP从19至35的第一个GOP各层λ值,通过处理数据得到各层λ的权重比值表,最后确定量化参数。该算法在H.265/HEVC编码标准参考软件HM16.15上发挥了良好的码率控制效果,取得很大的编码增益。

关键词：视频编码帧间预测自适应运动矢量精度率失真优化码率控制

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应用于VVC视频编码的感知率失真优化算法

通信技术 2022年第9期55卷 1120-1126页

作者：何委林李立华熊淑华何小海四川大学四川成都610065 河北省地质矿产勘查开发局第六地质大队河北石家庄050086

视频编码中,率失真优化是提升编码性能的重要环节。在新一代视频编码标准——多功能视频编码(Versatile Video Coding,VVC)中,率失真优化关键参数λ的确定仍是基于与量化参数(Quantization Parameter,QP)之间相对固定的映射关系模式,而... 详细信息

视频编码中,率失真优化是提升编码性能的重要环节。在新一代视频编码标准——多功能视频编码(Versatile Video Coding,VVC)中,率失真优化关键参数λ的确定仍是基于与量化参数(Quantization Parameter,QP)之间相对固定的映射关系模式,而人眼对于视频内容特征的感知并未得到充分考虑,因此提出了用于多功能视频编码标准VVC的感知率失真优化算法。首先提取视频帧中编码树单元(Coding Tree Unit,CTU)的纹理和运动特征,其次结合人眼对于纹理复杂度和运动程度的不同感知,对用于CTU编码的拉格朗日乘子λ进行自适应调节。在VVC标准测试软件VTM12.0平台的低延时P帧配置下,采用多尺度结构相似性和峰值信噪比作为视频质量评价指标,在保持视频质量不变的情况下,码率平均节省0.15%和0.09%,VVC编码器率失真性能得以提升。

关键词：率失真优化多功能视频编码感知视频编码