基于H.264的码率控制算法的研究与实现

论文摘要

随着通信技术的发展,基于多媒体通信的应用得到了迅速的发展。然而由于视频信息信号量大,对传输网络带宽要求高,因此必须对视频信息进行压缩。已有的压缩体系均采用预测编码和变换编码的方法,由于视频序列中各帧的复杂度和运动性大小的非平稳性,导致其压缩编码后的输出码流波动较大,所以需要采用合适的码率控制策略,保证压缩视频的传输。码率控制是视频编码传输中的关键技术,对视频的质量和码流有着重要的影响。每个编码标准都有自己的码率控制算法。H.264/AVC是最新的视频压缩标准,由于在H.264中量化参数被同时用于码率控制算法和率失真优化,导致蛋鸡驳论,从而使得码率控制更加困难。已有的码率控制提案JVT-G012可以实现较好的控制,然而G012提案并没有考虑场景切换带来的影响,从而在场景切换后视频质量下降严重。为此,本文对G012提案进行了研究,提出了一种考虑场景切换的码率控制策略。主要内容有:1.在深入分析H.264的率失真优化算法和码率控制算法的基础上,提出了一种新的MAD（mean absolute difference）预测算法。该算法根据相邻两帧中运动矢量的时间相关性,利用前一帧中宏块的运动矢量信息,结合当前编码帧的信息,预测当前帧的MAD。该算法与G012提案中线性预测算法效果接近,但本算法利用了当前帧的信息,可进行场景切换的检测。2.在上述MAD预测算法的基础上,提出了一种新的场景切换检测算法。该预测算法利用已有的MAD预测信息,不需额外的计算,可准确地检测出场景切换。3.在发生场景切换后,对场景切换后帧的目标缓冲区占用率进行调整。该方法可有效地提高了场景切换后视频帧的质量。4.将新的码率控制策略加入到现有视频编码器中。测试结果表明,本文算法在对视频总体质量影响很小的前提下,提高了场景切换后视频帧的质量,平均可提高2db。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 视频传输的应用和特点
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 MPEG-2 的TM5 算法
• 1.2.2 MPEG-4 的VM8 算法
• 1.2.3 H.263 的TMN8 算法
• 1.2.4 H.264 码率控制提案
• 1.3 本文主要研究内容及安排
• 第二章 H.264 标准介绍
• 2.1 视频压缩编码基本原理
• 2.1.1 压缩空间冗余度
• 2.1.2 压缩时间冗余度
• 2.1.3 运动估计和运动补偿
• 2.1.4 熵编码
• 2.2 H.264 的编码框架
• 2.3 H.264 的关键技术
• 2.3.1 帧内预测编码
• 2.3.2 帧间预测编码
• 2.3.3 整数变换
• 2.3.4 量化
• 2.3.5 熵编码
• 2.3.6 率失真优化
• 第三章 一种考虑场景切换的H.264 码率控制策略
• 3.1 H.264 的率失真优化算法分析
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 拉格朗日乘数λ的确定
• 3.1.3 运动估计的率失真优化
• 3.1.4 模式选择的率失真优化
• 3.1.5 率失真优化和码率控制技术的矛盾
• 3.2 H.264 的码率控制算法分析
• 3.2.1 关键技术分析
• 3.2.2 H.264 码率控制流程
• 3.2.3 GOP 层码率控制
• 3.2.4 帧层码率控制
• 3.2.5 基本单元层码率控制
• 3.3 带有场景切换处理的码率控制策略
• 3.3.1 新的mad 预测模型
• 3.3.2 场景切换处理
• 3.4 小结
• 第四章 加入码率控制后H.264 编码系统设计
• 4.1 视频编码流程分析
• 4.2 码率控制流程图
• 4.3 INTRA 帧预测
• 4.3.1 Intra16×16 帧内预测模式
• 4.3.2 Intra 4×4 帧内预测模式
• 4.3.3 色差分量的帧内预测
• 4.3.4 预测模式编码
• 4.4 整数变换及量化
• 4.4.1 整数变换
• 4.4.2 量化
• 4.5 熵编码
• 4.5.1 Exp-Golomb 码
• 4.5.2 CAVLC
• 4.6 小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢