基于博弈論的低碼率視頻編碼的碼率控制算法研究開題報(bào)告.doc

開題報(bào)告I開題報(bào)告（畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于博弈論的低碼率視頻編碼的碼率控制算法研究）一、目的與意義數(shù)字視頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、廣播電視等領(lǐng)域，帶來了會(huì)議電視、可視電話及數(shù)字電視、媒體存儲(chǔ)等一系列應(yīng)用，促使了許多視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生，視頻較其它的信息載體具有信息量大、方便實(shí)用等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，然而視頻不進(jìn)行編碼來進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸是不可以想象的，基于圖形學(xué)的理論，我們知道視頻中每幀圖象每行的有效數(shù)據(jù)分別是720個(gè)亮度采樣點(diǎn)和360個(gè)色差信號(hào)采樣點(diǎn)。每個(gè)分量都用了8比特的均勻量化，則數(shù)據(jù)量就達(dá)到160Mbps。1GB容量的存儲(chǔ)器也只能存儲(chǔ)不到10秒的視頻圖像，不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，要進(jìn)行傳輸特別是實(shí)時(shí)傳送視頻信息幾乎是不可能的，因此視頻編碼在數(shù)字視頻處理，傳輸，存儲(chǔ)中占著十分重要的地位，也是數(shù)字視頻的一個(gè)最重要的應(yīng)用。視頻編碼的目的就是減少視頻序列的數(shù)據(jù)量，以便更容易在給定的信道上傳輸實(shí)時(shí)視頻信息或者在給定容量的存儲(chǔ)器中存放更多的視頻序列。最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264作為最新的國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它支持從低帶寬、高誤碼率的無線移動(dòng)視頻通信到高碼率、低延遲的視頻廣播及在線流媒體等方面都有良好表現(xiàn)，因而受到業(yè)界廣泛的關(guān)注。碼率控制是視頻通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其控制效果的好壞直接影響到接收端圖像的質(zhì)量。由于視頻序列中各幀圖像的復(fù)雜度和運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)性，導(dǎo)致其壓縮編碼后的輸出碼流產(chǎn)生很大的波動(dòng)。因此采用適當(dāng)?shù)拇a率控制策略將這種波動(dòng)控制在一個(gè)限定的范圍之內(nèi)，以滿足實(shí)時(shí)視頻通信的需要是必需的，對(duì)其進(jìn)行研究研究具有重要意義。而H.264編碼器采用了基于Lagrangian優(yōu)化算法的編碼控制模型，起編碼性能相對(duì)于以往的所有編碼標(biāo)準(zhǔn)有了重大提高。本論文是基于博弈論的視頻編碼的算法也就是Lagrangian優(yōu)化算法的研究，探討最優(yōu)化策略。二、主要工作內(nèi)容論文的主要工作內(nèi)容是首先介紹了博弈理論的相關(guān)概念及H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的編碼原理H.264標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)組成，接著介紹H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)：幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、整數(shù)變換及量化、熵編碼、率失真優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。其中主要探討基于博弈論的最優(yōu)化策略，也就是Lagrangian優(yōu)化算法，最后論述對(duì)于Lagrangian優(yōu)化算法的改進(jìn)。開題報(bào)告II三預(yù)計(jì)達(dá)到的要求、預(yù)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)方案1預(yù)期要求(1)熟悉并掌握最新視頻編碼H.264的編碼原理。(2)深入研究博弈論在H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)中的運(yùn)用。(3)對(duì)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的基于Lagrangian優(yōu)化算法的編碼控制模型進(jìn)行分析，能夠提出初步的改進(jìn)方案。(4)開始構(gòu)思H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方案。2預(yù)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)(1)幀內(nèi)預(yù)測(cè)幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的基本原理是利用己解碼重構(gòu)的鄰近塊像素來實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前編碼塊的預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)測(cè)塊和實(shí)際塊的殘差進(jìn)行變換、量化和熵編碼。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，視頻序列空間相鄰像素之間具有強(qiáng)相關(guān)性，鄰近像素間發(fā)生突變的概率很小，存在大量的空域冗余，特別是在變化平緩的背景區(qū)域，如果利用幀內(nèi)預(yù)測(cè)可以大大提高幀內(nèi)編碼的效率。在以往的編碼標(biāo)準(zhǔn)中，幀內(nèi)編碼只是直接對(duì)像素值進(jìn)行變換、量化和熵編碼，編碼輸出的比特?cái)?shù)很多。考慮到消除空間冗余，降低幀內(nèi)編碼的比特?cái)?shù)，進(jìn)一步提高壓縮效率，H.264/AVC將幀內(nèi)預(yù)測(cè)作為必須的編碼工具固定下來，并且進(jìn)行了大量改進(jìn)。由于相鄰宏塊通常含有相似的屬性，當(dāng)宏塊編碼時(shí)，首先可以根據(jù)周圍宏塊對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)側(cè)值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼。在H.264編碼器中，通過己編碼的宏塊(特別是在當(dāng)前宏塊左邊和上方的相鄰宏塊)來預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊，然后對(duì)當(dāng)前宏塊與預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行變換編碼。這樣能夠有效地消除圖像的空間冗余，大大提高壓縮效率。為了適應(yīng)圖像的不同區(qū)域空間變化的不同，提高幀內(nèi)預(yù)測(cè)的質(zhì)量，H.264提供三種幀內(nèi)預(yù)測(cè)方式:44亮度塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)；16l6亮度宏塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)；88色度宏塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)。(2)幀間預(yù)測(cè)對(duì)于視頻圖像來說，當(dāng)圖像內(nèi)容變化或攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)不劇烈時(shí)，前后幀基本保持不變，相鄰幀圖像的時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)，前一幀圖像和后一幀圖像之間有很多的相似部分，這種信息冗余稱作時(shí)間冗余。如果能充分利用相鄰幀圖像像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，將會(huì)有比幀內(nèi)預(yù)測(cè)更高的預(yù)測(cè)精度，可開題報(bào)告III以進(jìn)一步提高編碼效率，這種基于時(shí)間相關(guān)性的相鄰幀預(yù)測(cè)方法，稱為幀間(Inter)預(yù)測(cè)。當(dāng)前被編碼像素所處的圖像幀稱為當(dāng)前幀或編碼幀，用作預(yù)測(cè)的相鄰幀稱為參考幀。在H.264中，除了具有在原有標(biāo)準(zhǔn)(H.263，MPEG-4等)中的P幀，B幀預(yù)測(cè)方法外，還增加了許多新的功能，如:塊的尺寸范圍更廣；亞像素運(yùn)動(dòng)矢量的使用(包含1/4甚至1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法)；采用多參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼的運(yùn)用；采用去塊濾波器消除由于塊預(yù)側(cè)誤差產(chǎn)生的塊效應(yīng)等。(3)整數(shù)變換與量化經(jīng)過幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)的宏塊殘差需要進(jìn)行變換和量化。H.264對(duì)殘差采用基于44塊的變換編碼，并使用了以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，其過程和DCT基本相似，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于:在編碼器中和解碼器中允許精度相同的變換和反變換，便于使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算方式，避免了浮點(diǎn)運(yùn)算舍入問題造成的誤差，從而導(dǎo)致正變換和反變換的“失配”問題；變換的單位由原來88的塊縮減到44塊，運(yùn)動(dòng)物體的劃分更為精確，這樣，變換塊尺寸的減少可明顯減少變換引起的塊邊緣噪聲，而且44變換核沒有乘法操作，只需進(jìn)行加法和移位運(yùn)算，同時(shí)，變換比例系數(shù)被整合到量化器中，大大提高了運(yùn)算速度。（4）環(huán)路濾波器技術(shù)理想情況下，應(yīng)該對(duì)一幀圖像進(jìn)行正交變換可以最大限度的消除空間冗余，但是由于計(jì)算量和復(fù)雜度的問題，現(xiàn)實(shí)中往往是將一幀圖像分成多個(gè)小塊，然后分別對(duì)各個(gè)塊進(jìn)行正交變換。然而，采用將圖像分塊進(jìn)行正交變換后再回復(fù)的圖像往往會(huì)產(chǎn)生“塊效應(yīng)”，對(duì)圖像質(zhì)量有非常大的影響，這在量化系數(shù)取得較大時(shí)，更加明顯。其原因有三點(diǎn):(l)舍棄了高頻分量(2)對(duì)某些系數(shù)采用了較粗的量化(3)塊虛像，塊虛像是指在相鄰塊邊界上人為的造成密度不連續(xù)，是最嚴(yán)重的干擾。在H.263等標(biāo)準(zhǔn)中，采用“事后處理”的辦法，在解碼端增加一個(gè)去方塊濾波器以降低塊效應(yīng)。在H.264中，采用了環(huán)路濾波器技術(shù)來消除塊效應(yīng)。這個(gè)濾波器根據(jù)塊邊緣信息的不同采用不同的濾波權(quán)重，因而可以在有效消除塊效應(yīng)的同時(shí)又不會(huì)影響圖像的銳度；另外，環(huán)路濾波是作為編碼器的一部分直接對(duì)編碼器端的參考圖像進(jìn)行的，參考圖像在經(jīng)過環(huán)路濾波器后才能真正成為參考幀數(shù)據(jù)參與到運(yùn)動(dòng)估計(jì)中去(參與幀內(nèi)預(yù)測(cè)的塊不經(jīng)過開題報(bào)告IV環(huán)路濾波器)。與H.263標(biāo)準(zhǔn)中僅僅作為后處理的解碼器端的去方塊濾波相比，環(huán)路濾波在改善主觀質(zhì)量的同時(shí)還可以有效地提高編碼器的編碼效率。（5）熵編碼視頻編碼處理的最后一步是熵編碼，熵編碼是無損壓縮編碼方法，它生成的碼字可以經(jīng)解碼后無失真的恢復(fù)熵出原始數(shù)據(jù)。H.264協(xié)議在編碼模塊中定義了兩種熵編碼方式。一種是必選項(xiàng)，基于上下文的變長(zhǎng)編碼(ContextAdaptiveVariableLengthCoding，CAVLC)，該方法用相同的碼表可以對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行編碼，很容易實(shí)現(xiàn)，在解碼端也容易通過識(shí)別碼字的前綴進(jìn)行熵編碼。另一種是可選的基于上下文的算術(shù)編碼(ContextAdaptiveBinaryArithmeticCoding，CABAC)，算術(shù)編碼是近十多年來發(fā)展循序的一種無失真信源編碼，它是編解碼兩端都能使用所有句法元素(變換系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量)的概率模型。為了提高算術(shù)編碼的效率，通過內(nèi)容建模的過程，使基本概率模型能適應(yīng)隨視頻幀而改變的統(tǒng)計(jì)特性。它與最佳的Huffman編碼相比，理論性能稍加遜色，而實(shí)際壓縮率和編碼效率卻往往還優(yōu)于Huffman編碼，故很受工程上的重視。3.擬采用的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案基于博弈論的低碼率視頻編碼的碼率控制算法研究實(shí)現(xiàn)方案如下：這次實(shí)現(xiàn)方案主要是用JM9.5去實(shí)現(xiàn)H.264標(biāo)準(zhǔn)，從而體現(xiàn)H.264編碼器采用了基于Lagrangian優(yōu)化算法的編碼控制模型的編碼性能相對(duì)于以往的所有編碼標(biāo)準(zhǔn)的重大提高，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于Lagr