高效视频编码中的帧内预测快速算法研究

【摘要】随着高清和超高清视频的出现，人们在视觉和各类的应用上对视频的要求都越来越高。由2003年所制定的H.264/AVC视频编码标准已经满足不了人们日益增长的需求。2010年4月，联合协作视频编码组（JointCollaborativeTeamonVideoCoding，JCT-VC）在德累斯顿的JCT-VT第一次会议中提出了新一代视频编码标准(HighEfficiencyVideoCoding，HEVC)，并制定了相应的测试模型（TestModelunderConsideration，TMuC）。经过几年的不断努力，HEVC于2013年初最终定稿。HEVC视频编码标准主要针对高清以及超高清的视频图像，能够更好地适应各种不同的网络环境，并且能够支持多核并行编解码。HEVC视频编码标准引入了很多先进的编码技术来提高其编码效率，但是先进技术的引进是以高算法复杂度为代价的，尤其是在帧内预测中。因此，需要在保证HEVC标准编码性能基本不变的情况下，通过降低其算法复杂度来提高编码的速度，以便于实际的存储和传输。本文针对HEVC帧内预测算法计算复杂度高的问题，通过分析HEVC编码单元四叉树分裂模式，提出了一种基于率失真代价的HEVC帧内预测快速算法，并通过引入相邻编码单元（CodingUnit，CU）相关性对其进一步优化，即利用相邻已编码CU的深度对当前CU的深度进行预判断。快速算法的加入能够简化HEVC帧内预测算法复杂度，缩短编码时间，提高编码效率。本文的具体研究内容及创新工作如下：（1）深入研究了HEVC标准中的帧内编码技术，包括帧内预测算法原理，率失真优化技术，帧内预测的模式选择方式，算法复杂度以及现行帧内预测快速算法。通过大量的仿真实验，分析总结出视频图像特征与其最终选择的编码单元类型之间的关系。（2）提出一种基于率失真代价的帧内预测快速算法。首先通过实验分析HEVC中不同预测单元所对应预测模式的率失真变化规律，统计得到不同预测单元的率失真代价阈值。在帧内预测时利用当前编码单元率失真代价与阈值的对比判断，跳过一些不适合所属区域内容的编码单元尺寸类型的编码过程。采用C++语言将该算法集成到HEVC标准中，在低复杂度（LowComplexity，LC）和高效率（HighEfficiency，HE）两种编码配置下对14个通用测试序列进行实验。最后对实验结果从算法的效率和质量两方面加以分析。实验结果表明，该快速算法在LC及HE两种不同的配置条件下，平均的压缩编码时间分别减少了23.55%和17.96%；而平均编码码率分别只增加了约0.32%和0.10%，平均亮度峰值信噪比分别只减少了0.025dB和0.013dB。另外，通过RD曲线和编码重构图像的主观比较发现本文所提的快速算法的编码性能与HEVC的算法相比，二者的编码性能几乎不存在差异，由此证明本文所提快速算法的有效性。（3）提出基于相邻CU和率失真代价的帧内预测快速算法，即通过引入相邻已编码CU的划分深度相关性对基于率失真代价的帧内预测快速算法进一步优化。在对当前CU进行帧内预测时，先利用当前CU与相邻已编码CU及前一帧对应CU的深度，判断是否要跳过当前CU的预测模式搜索；然后再利用基于率失真代价的帧内预测快速算法继续进行帧内预测编码。通过仿真实验结果分析可知，优化后的快速算法在LC及HE两种不同的配置条件下，平均的压缩编码时间分别减少了27.04%和21.72%；而平均编码码率分别只增加了约0.33%和0.16%，平均亮度峰值信噪比分别只减少了0.028dB和0.021dB。通过RD曲线比较发现优化后快速算法的编码性能仍然保持基本不变，由此证明了基于相邻CU和率失真代价的帧内预测快速算法的有效性。
【作者】樊倩；
【导师】陈贺新；
【作者基本信息】吉林大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】视频编码技术；HEVC；帧内预测；率失真代价；CU深度；

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