視頻編碼功率率失真模型及低復雜度算法研究.pdf

1、從1948年Shannon提出經典率失真理論到現在的半個世紀中，率失真理論為現代通信特別是基于無線環(huán)境的多媒體通信提供了理論依據。但是，這些理論都是以碼率為約束、研究碼率和失真之間的關系。伴隨著無線移動通信技術的崛起、無線網絡帶寬的不斷提高、集成芯片技術的快速發(fā)展和具有多媒體處理能力的移動終端的普及，碼率的約束性已經越來越弱，而移動終端在處理能力和功耗上所受的制約卻越來越強。無線多媒體終端處理器功耗約束性問題已成為限制移動多媒體業(yè)務發(fā)展

2、的主要障礙。因此，如何在終端處理器功率有限的約束條件下，使視頻數據經編碼和傳輸后的失真最小，或是在視頻主觀質量降低盡可能小的情況下，減小功耗、延長電池的更新周期，成為移動終端面臨的關鍵問題。
　　 本文在國家自然科學基金項目“無線信道下的信道廣義率失真模型研究(60372067)”、“無線移動環(huán)境下復雜度可分級聯合功率率失真模型(60572063)”和教育部博士點基金項目“廣義率失真理論及在無線通信中的應用(2004048700

3、9)”的共同資助下，對上述問題進行了深入的研究，提出并建立視頻編碼的功率率失真模型，目的是將該功率率失真模型作為無線移動環(huán)境下視頻編碼以及終端系統設計和性能優(yōu)化的理論指導，從而保證在終端功率受限的約束條件下，使視頻數據達到視頻質量、信道帶寬和功率耗損動態(tài)平衡的最優(yōu)，為解決視頻編碼系統的最優(yōu)化參數配置和資源分配提供一種新的理論和方法。具體而言，本文的研究工作主要包括：
　　 ⑴建立視頻編碼功耗模型。根據編碼功耗和編碼復雜度之間的對

4、應關系，明確了實現功耗控制的手段是控制算法的復雜度。在重點分析典型視頻編碼系統的主要技術模塊復雜度及其對編碼功耗影響的基礎上，明確指出量化參數和幀內刷新率是影響編碼功耗的主要因素，并定量研究這兩個參數對編碼功耗的影響，建立視頻編碼功耗模型。實驗結果表明了該模型的精確性，該模型為設計復雜度可伸縮的視頻編碼系統提供理論基礎。
　　 ⑵拓展并修正傳統的率失真模型表達式。傳統的率失真理論認為，編碼器的輸出碼率和圖像失真都與量化參數有關，

5、為此建立了基于量化參數的失真模型和碼率模型。本文研究后認為，幀內刷新率對輸出碼率和圖像失真同樣產生重要的影響。為此，本文將傳統率失真模型的參數進行拓展并對模型進行修正，建立更為廣義的失真模型和碼率模型?；诹炕瘏档膫鹘y率失真模型是該模型的特例，是在一定幀內刷新率條件下闡明編碼碼率和編碼失真的關系。
　　 ⑶建立功率、碼率及失真的三維模型。本文在詳細分析視頻編碼各個主要模塊的基礎下，提取通用的編碼控制參數集，明確指出量化參數和幀

6、內刷新率對編碼功耗、編碼失真和編碼碼率的影響，并以量化參數和幀內刷新率作為中間參量對功率、碼率及失真進行建模，采用理論推導和實驗仿真相結合的方法建立功率-碼率-失真三維模型。該模型從本質上揭示了視頻質量、編碼碼率和編碼功耗之間的內在聯系，并闡明三者之間具有互換性，為設計符合各種需要的無線通信系統提供了理論指導。
　　 ⑷提出低復雜度的幀間預測編碼算法。采用多模式編碼技術是H.264編碼復雜度高的主要原因之一，本文將空間相關性和視

7、頻內容運動特征結合起來，首先利用周圍已編碼宏塊的運動信息和模式信息有效地將視頻劃分為性質不同的運動區(qū)域，然后基于率失真優(yōu)化方法選出不同運動性質區(qū)域的編碼模式，達到降低復雜度的目的。實驗表明，該算法平均節(jié)省編碼時間達51[％]以上，同時PSNR平均下降約0.09dB，碼率僅提高3.15[％]，有利于無線信道中的實時應用。
　　 ⑸建立Rayleigh信道下Turbo 碼誤碼率模型。數據傳輸失真是無線通信系統端到端失真的重要組成部分