H.264率失真优化和码率控制算法的研究与改进

论文摘要

视频编码的主要目标就是要在编码效率、图像重建质量和编码复杂度之间找到最佳的平衡点。H.264视频编码标准只规定了视频码流编码语法和解码方法,它并没有对编码器给出明确定义,这就为编码器中各项技术的研究留下了广阔的空间。为了在限定的信道带宽、计算复杂度、延时和缓存下获得较好的视频通信质量,必须采用适当的策略来控制编码器,将码率输出控制在一定范围内。本文深入分析了编码标准中计算复杂度极高的率失真优化技术和码率控制的基本原理,探讨了视频编码中产生码率波动的主要原因,并总结了最新的率失真优化和码率控制的研究成果。在此基础上,首先提出了一种改进的二次率失真模型,来更准确地描述信源的率失真特性;之后引入了帧内容复杂度的概念,并依据当前帧在整个GOP中所占的时间和空间复杂度比率来分配帧层目标比特,结合改进的二次率失真模型提出了一种新的帧层码率控制算法,基于复杂度比率对跳帧策略也做了改进。新的码率控制算法和跳帧算法有效地克服了原算法在码率控制精度和编码性能上的不足。本文的算法实现在参考软件JM10.2平台上,实验结果表明,与现有的经典算法相比,本文算法能够对视频图像的编码复杂度做出准确的估计,并据此合理的分配目标比特数,使得编码后的实际码率更接近目标码率,获得了更好的图像重建质量,平均PSNR提高了0.28dB;有效控制了输出码率的波动,使得缓冲区充满度维持在一定范围内,有效地减少了跳帧现象的发生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 率失真优化研究现状
• 1.2.2 码率控制研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.3.1 率失真模型的改进
• 1.3.2 码率控制算法与跳帧策略的改进
• 1.4 本文的实验平台
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 H.264 关键技术与性能分析
• 2.1 H.264 的编解码框架
• 2.1.1 H.264 编码器框架
• 2.1.2 H.264 解码器框架
• 2.2 H.264 中的关键技术
• 2.2.1 分层设计
• 2.2.2 帧内预测
• 2.2.3 多模式运动估计
• 2.2.4 多参考帧
• 2.2.5 整数变换和量化
• 2.2.6 高效的熵编码
• 2.3 本章小结
• 第三章 率失真优化分析与改进
• 3.1 率失真理论基础
• 3.2 率失真模型
• 3.2.1 ρ域线性模型
• 3.2.2 二次率失真模型
• 3.3 H.264 率失真优化算法
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 拉格朗日乘子的确定
• 3.3.3 编码模式的确定
• 3.3.4 运动估计的确定
• 3.3.5 率失真优化算法流程
• 3.4 二次率失真模型的改进
• 3.4.1 原二次率失真模型的不足
• 3.4.2 新的二次率失真模型
• 3.5 实验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 码率控制及跳帧策略的分析与改进
• 4.1 码率控制理论基础和经典算法
• 4.1.1 TM5 码率控制算法
• 4.1.2 TMN8 码率控制算法
• 4.1.3 VM8 码率控制算法
• 4.2 H.264 码率控制中的关键模型和算法描述
• 4.2.1 H.264 码率控制算法总体描述
• 4.2.2 GOP 层码率控制
• 4.2.3 帧层码率控制
• 4.2.4 基本单元层码率控制
• 4.3 H017 码率控制算法的分析
• 4.3.1 帧层目标比特的分析
• 4.3.2 线性预测模型和帧复杂度的分析
• 4.3.3 跳帧情况的分析
• 4.4 基于帧复杂度比率的帧层码率控制和跳帧算法
• 4.4.1 帧纹理编码复杂度
• 4.4.2 帧层目标比特分配的改进
• 4.4.3 改进的量化步长计算公式
• 4.4.4 跳帧算法的改进
• 4.5 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文