基于率失真优化的码率控制算法研究

论文摘要

近年来视频压缩已经取得了长足的发展。随着应用领域的拓展,视频编码已经超越了单纯的压缩,信源和网络联合编码可以为新的应用提供更好的解决方案。信源和网络联合编码中最核心的问题之一是编码系统中码率自适应问题。如何通过合理的码率控制算法自适应调整编码码率大小,使编码器在网络带宽的约束下获得更好的解码图像质量是每个编码器中都需要更好的解决的问题。针对这种需求,本文对应用于H.264/AVC编码器中码率控制算法进行了研究。目前,主流的码率控制算法,包括各个编码标准推荐的码率控制算法均为基于率失真模型的控制算法。MPEG-2 TM5码率控制算法采用一次率失真模型,而H.263 TMN8、MPEG-4 VM8和H.264/AVC均采用了二次率失真模型,但是H.264/AVC码率控制算法并未取得像MPEG-4 VM8那样的成功。本文首先对上述码率控制算法进行研究,重点分析了率失真模型的准确性与合理使用,为本文码率控制算法的设计提供借鉴。针对H.264/AVC编码器中现有的码率控制算法中线性MAD预测模型在场景切换处失效的缺点,提出了一种改进的线性MAD预测模型。新的模型提出了新颖的相邻图像间图像复杂性变化速率的描述方法,并利用这种复杂性变化速率的快慢,对原有线性模型预测的结果进行调整,使MAD的预测更加准确。实验结果表明,与H.264/AVC推荐的码率控制算法相比,本算法可以显著改进场景切换处和高运动区域图像的质量,平滑PSNR的剧烈波动。针对存储媒体应用对码率控制算法提出的特殊要求,提出了一种恒定质量约束条件下的码率控制算法。由于存储媒体应用对视频质量稳定性要求高,而对实时性要求较低,本文提供的是基于两遍编码的码率控制算法。第一遍编码使用本文提出的改进的H.264/AVC恒定码率控制算法进行场景检测和编码,获取整个序列的统计信息,第二遍编码利用第一遍编码获取的信息重新调整各帧量化参数,并根据宏块内容和编码复杂性调整宏块的量化参数。大量的实验结果显示,本文算法可以显著降低视频波动,提高视频主观质量,尤其是对场景切换取得良好的编码效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 视频编码标准
• 1.2.1 ISO/IEC 标准13818-2：MEPG-2
• 1.2.2 ITU-T 推荐标准H.263
• 1.2.3 ISO/IEC 标准14496-2：MPEG-4
• 1.2.4 ITU-T 推荐标准H.264/ISO 标准14496-10 AVC
• 1.3 码率控制研究进展
• 1.3.1 典型的视频应用
• 1.3.2 码率控制的作用
• 1.3.3 码率控制研究现状
• 1.4 本文的研究内容及章节安排
• 第2章 率失真理论和码率控制
• 2.1 率失真理论
• 2.1.1 信息论基本概念
• 2.1.2 互信息量与率失真函数
• 2.1.3 率失真函数的性质
• 2.2 率失真理论与码率控制
• 2.2.1 MPEG-2 TM5 码率控制算法
• 2.2.2 H.263 TMN8 码率控制算法
• 2.2.3 MPEG-4 VM8 码率控制算法
• 2.2.4 H.264/AVC 码率控制算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 改进的H.264/AVC 码率控制算法
• 3.1 基本思想
• 3.2 码率控制算法设计
• 3.2.1 改进的线性MAD 预测模型
• 3.2.2 帧级位分配调整模型
• 3.2.3 基于长期QP 限制的视频质量平滑
• 3.2.4 帧级码率控制步骤
• 3.2.5 基本单元码率控制算法
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 帧级码率控算法测试结果
• 3.3.2 宏块级码率控算法测试结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于帧复杂性预测的恒定质量码率控制
• 4.1 视频质量控制
• 4.1.1 场景切换与视频质量
• 4.1.2 宏块级量化参数调整
• 4.2 两遍编码码率控制算法
• 4.3 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历