新一代视频压缩标准算法和应用研究

新一代视频压缩 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 算法和应用研究 浙江大学信息学院 博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 新一代视频压缩标准算法和应用研究 姓名:方健 申请学位级别:博士 专业:通信与信息系统 指导教师:王匡 20080401 摘要 随着多媒体和计算机网络技术的发展，数字视频压缩在许多领域中得到了广泛的应用，包括可视电话、视频会议、，,,,和数字电视等。为了满足不断发展的应用需求，近几年来，许多国际标准组织相继制定发布了一系列新的视频压缩标准。其中以,(,,,、,,,和,,(,为代表的压缩标准，由于具有比以往标准更出色的性能，被人们称为新一代视频压缩标准，它们是目前的研究热点。 本文以新一代视频压缩标准为研究对象，主要针对视频编解码架构、帧内预测、帧间预测、变换算法和环路滤波等方面，进行了深入地分析和研究，并提出了多种优化算法和实现结构。其中大部分算法已经在,,，,设计和,,,,平台中得到验证，发挥了稳定的性能。 首先以,(,,,为例，本文对视频编码的实时性能瓶颈一一帧间预测和帧内预测进行了研究。针对帧间预测，分别提出了基于量化步长的自适应提前终止整像素快速估计算法，和基于平坦区域预测的分像素快速估计算法。针对帧内预测，提出了一种基于模式统计和全零块判决的快速搜索算法。实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，在保持图像压缩质量和压缩效率的前提下，这些快速算法有效地降低了帧问预测和帧内预测复杂度。和原来相比，通过算法改进后的视频编码速度提高了,倍。 本文接着重点研究了多标准视频编解码器。根据新一代视频压缩标准的特点，目前提出了多种视频多媒体实现架构，各有优缺点。立足于自身的设计经验，文章提出了基于,,,和,,，,架构的多标准视频编解码平台。基于,,，,的实现，使该平台具有成本低、功耗低和处理能力强的特点;而新颖的软硬件协同工作机制，弥补了其在灵活性和扩展性上的不足。和其它视频处理器相比，具有更强的市场竞争力。 接着，本文主要针对多标准解码平台中的反变换部分进行了研究。新一代视频标准支持,,,,,,变换、,,,整数变换、,,,整数变换、,,,整数变换和,,,整数变换。为了实现解码兼容，提出了基于,,,块的归一化反变换算法。该算法通过蝶型运算的矩阵改造和,,,反变换重构，获得了统一的反变换算法结构。在此基础上，提出了适用于多标准解码的反变换实现结构。该结构在满足变换处理的同时，有效节省了硬件资源。 然后，本文研究了多标准解码平台中的环路滤波部分。通过调整数据结构，提出了优化的滤波顺序，实现了,(,,,和,,,的一致性去块滤波;对于,,(,，通过扩展参考数据，调整滤波顺序，实现以宏块为单位进行交迭滤波和去块滤波。基于算法优化，提出了多标准解码的环路滤波实现结构。该结构很好地解决了环路滤波复杂度高和数据吞吐量大的问题，同时提高了资源的复用率。另外，对于局部宏块的出错数据，文章提出了错误掩盖宏块的去块滤波设计方法，提高了图像质量。 最后，对全文工作进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 和展望。关键词视频压缩帧内预测帧问预测变换环路滤波,,，,设计 ,,,,,,;, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,;,,,,,,,，,,,,,,, ,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,,,,;,,,,,,，,,;, ,, ,,,,, ,,,,,，,,,,, ;,,,,,,,;,，,阿, ,,, ,,,,,,, ,, ，,,,,,, ,, ,,,, ;,,,,,,,,’,,;,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,;,,,,,,，,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,, ,,,;,,, ,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,,,, ,,,(,,,，,,, ,,, ,,一,，,,,;, ,,, ;,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,, ,,;,,,, ,, ,,, ,,,, ,,;,,,,,, ,,,,,,,,,;,;,,,,,,, ,,,, ,,, 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,(,运动估计……………………………………………………………………………一, ,(,图像像素差值的概率分 布…………………………………………………………(, ,(,混合编码模型………………………………………………………………………((, ,,, ,(,,, ,,,层码流结 构………………………………………………………………, ,(, ,,,码率结构…………………………………………………………………………, ,,,视频处理系统………………………………………………………………………((, ,(,几种视频标准的性能比较……………………………………………………………,, ,(, ,(,,,编码器各模块复杂度分 析…………………………………………………(,, ,(, ,(,,,多模式运动估计………………………………………………………………, , ,,, , ,,,,,,,,,,整像素搜 索……………………………………………………………(, ,(,分像素全搜索………………………………………………………………………,, ,,,基于中心快速分像素搜索…………………………………………………………,, ,(, ,,,,,流程…………………………………………………………………………, , ,(, ,,,,，,,,,,算法对,,,,的影 响………………………………………………,, ,,, ,,,,，,,,,,算法对,,,的影响………………………………………………((,, ,(,, ,,,,,，,,,,,算法对,,,,的影 响……………………………………………(,, ,一,, ,,,,,，,,,,,算法对,,,的影响……………………………………………(,, ,(, , ,,,,,中的,,预测……………………………………………………………一,, ,(, , ,,,,,中的,,预 测……………………………………………………………,, ,(,, ,,,亮度帧内预测数据和方向……………………………………………………,, ,(, , ,,,亮度帧内预测模式……………………………………………………………,, ,(,, ,,,,,亮度帧内预 测………………………………………………………………(,, ,一,,改进型帧内预测四步搜索法……………………………………………………(,, ,(, ,使用优化算法后,(,,,编码器各模块复杂度分析……………………………(,, ,(, ，,,,, ,,,,,,框 架………………………………………………………………………………………一,, ,,, ,,,,,,,,,框 架………………………………………………………………………………………,, ,(, ,,, ,,,,,框 架…………………………………………………………………………………………((,, ,(, ,， ,,,,框 架……………………………………………………………………………………………一,, ,(, ,,,,,,,,框 架…………………………………………………………………………………………… 一,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,框 架………………………………………………………,, ,(,主流视频,,,,,架构类型………………………………………………………,, ,(,多标准视频编解码平台结构………………………………………………………,, ,,,固定长度宏块指令格式……………………………………………………………,,图 图 图 图 图 图 ,(,,非固定长度宏块指令格 式………………………………………………………(,, ,,图,(,(,,,,’,,,图示……………………………………………………………………,,图,,,一(,,,,,)图 示……………………………………………………………………………………………((,,图,,, ,，(,,,,)图 示………………………………………………………………………,,图,,, ,,(,整数变换尺寸……………………………………………………………………,,图,(,反变换硬件结 构……………………………………………………………………,,图,,,分组矩阵计算结构…………………………………………………………………,,图,(,数据后处理结构……………………………………………………………………(,,图,(,双核反变换结 构……………………………………………………………………(,,图,(,二维反变换流水………………………………………………………………………,,图,(,不采用和采用去块滤波对编解码图像质量的影响………………………………,,图,(,滤波边 界……………………………………………………………………………。,,图,(,滤波边界样点描述…………………………………………………………………,,图,,,边界强度判决………………………………………………………………………,,图,(,典型的不需要滤波的图像真实边 界………………………………………………,,图,,, ,(,,,标准滤波顺序………………………………………………………………(,,图,(, ,(,,,优化滤波顺序…………………………………………………………………(,,图,—, ,,交织数据结 构…………………………………………………………………。,,图,,, ,,交织滤波边界…………………………………………………………………一, ,图,(, , ,,交织滤 波………………………………………………………………………((, ,图,(,,双边界滤波模式……………………………………………………………………,,图,(, ,色度双边界滤 波……………………………………………………………………,,图,(,,宏块滤波边界………………………………………………………………………,,图,(,,滤波边界样点描 述………………………………………………………………((,,图,(, , ,,,边界强度判决………………………………………………………………一,,图 ,(, , ,,(,交迭滤 波……………………………………………………………………(,,图,(,, ,,(,,帧去块滤波…………………………………………………………………,,图,(, , ,,,，去块滤波边界样点判 决……………………………………………………,,图,(,, ,,(,去块滤波第三点判决算法…………………………………………………,,图,(,, ,,(,去块滤波滤波算法…………………………………………………………,,图,(,, ,,(,隔行帧场模式去块滤 波……………………………………………………,,图,—,,逐行帧(隔行场)图优化的交迭滤波顺序………………………………………一,,图,,,,逐行帧(隔行场)图优化的去块滤波顺序…………………………………………,,图,(,,逐隔行帧图优化的交迭滤波顺序………………………………………………(,,图,(,,隔行帧图优化的去块滤波顺 序…………………………………………………。,,图,(,,多标准环路滤波结构框图…………………………………………………………,, ,图,(,,滤波控制结构框图………………………………………………………………((,,图,(,,滤波转置矩阵………………………………………………………………………,,图,(,, ,(,,,,,,,滤波运算 器…………………………………………………………一,,图,(,,宏块间垂直边界滤波通路…………………………………………………………(,,图,(, ,宏块内垂直边界滤波通路…………………………………………………………(,,图,(,,水平边界滤波通 路………………………………………………………………((,,图,(,,错误掩盖去块滤波性能比较……………………………………………………(,,图,(,,去块滤波并行工作示例…………………………………………………………(,, ,, 表目录表,(,新一代视频压缩标准采用的高性能算 法…………………………………………一,表,(,不同视频序列中预测运动矢量块的比例(,)(((……………………………………,,表,,, ,,,,,算法的性能…………………………………………………………………(,,表,,,修正,,,,,算法的性能(, ,,,,,,,序 列………………………………………((,,表,,修正,,,,,算法的性能(, ,,,,,,序列……………………………………………,,表,(,修正,,,,,算法的性能(, ,,,,序列……………………………………………,,表,,,修正,,,,,算法的性能(, ;,,,,,序 列……………………………………………,,表,(,修正,,,,,算法的性能一, ,,,,,,,序列………………………………………。,,表,,,固定码率,,,,,算法的性能,(,,,,序列初始,,,,)………………………。,,表,,,固定码率,,,,,算法的性能,(,,,,,,,序列初始,,,,)……………………,,,表,(, ,整像素运动矢量比 例……………………………………………………………一,,表,(,,整像素匹配宏块预测方法的性能(,,,,,,)……………………………………(,,表 ,(,,,,,,,平均性 能…………………………………………………………………一,,表,(,, ;,,,,,序列在固定码率下的性能…………………………………………………,,表,(,, ,,,,,,,序列在固定码率下的性 能………………………………………………(,,表,(, , ,,,和,,,亮度块帧内预测模式…………………………………………………,,表,—,, ,,,,,亮度块帧内预测模式………………………………………………………,,表,(,, ,帧帧内预测模式分 布……………………………………………………………((,,表,(,, ,帧帧内预测模式分布……………………………………………………………,,表,(,, ,帧帧内预测统计…………………………………………………………………,,表,,,, ,帧帧内预测四步搜索法性能比 较………………………………………………,,表,(,, ,,,,帧内快速算法性能(,(,,,,,)……………………………………………(,,表,(,, ,,,,帧内快速算法性能(,(,,,, ,)……………………………………………(,,表,(,, ,,,,帧内快速算法性能(,(,,,,,,)……………………………………………(,,表,(,转置存储器中的数据………………………………………………………………,,表,(,转置存储器中的数据 (,)……………………………………………………………,,表,(,转置存储器中的数据(,)…………………………………………………………((,,表,,,反变换主要性能……………………………………………………………………一,,表,(,传统结构和本文结构转置存储器比 较……………………………………………,,表,(,计算宏块,,需要的参数……………………………………………………………,,表,,,水平宏块边界,,统计………………………………………………………………,,表,(, ,,(,边界强度定义…………………………………………………………………,,表,,,增添错误掩盖后的多标准边界强 度………………………………………………,,表,(,多标准去块滤波性能………………………………………………………………一,, ,,,表,,,去块滤波器性能比较………………………………………………………………(,, ,，，， 第,章绪论 ,,世纪是一个信息技术的时代，数字信息技术将应用于各行各业，影响人们生活的方方面面。视频信号，作为和人的感官最密切的信息载体，将仍然是未来信息技术研究的重点对象之一。 数字化后的视频信息，数据量十分惊人，给信息的存储和传输造成很大的困难。以数字电视图像为例:,,，,(，,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,)格式，,,,制式，,:,:,采样，,,,,,量化精度。每帧数据量,,,,,,,,,,,(,,(,,);每秒数据量,(,,,,,,,,(，(,,,,)。如果使用,,(,,,存储，一片,,(,,,只能存储帧数,,,,，(,,,,,,(帧);即存储节目时间,,,,,,(,,,,(,(秒)?,。如果用于传输，比特率达到,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,(, ,,,)，这对于现有的传输方式，几乎是不可实现的。因此，高效的视频压缩技术应运而生，它是降低存储成本，缓解网络带宽的关键技术;是数字视频系统的主要环节之一。,(,视频压缩原理 视频压缩技术主要基于视频数据和人类视觉系统的研究分析，通过去除原始视频信号中的冗余信息来实现压缩。视频压缩主要基于下面两个事实,,,: 首先，视频数据中有许多的冗余数据，冗余的数据主要分为三类:空间冗余、时间冗余和统计冗余。空间冗余指同一帧图像内部数据有较强相关性;时间冗余指连续图像之间数据存在较强的相关性;统计冗余则指数据表达方法上的冗余。 其次，视频信号的接收者是人，人的视觉系统也是一个信号处理系统，它对图像各个组成部分的敏感程度不同，特别是对高频信息和色差信号不敏感。图像信息中不同部分对主观质量的影响不同，所以可以把视频信息中人眼不敏感的部分弱化处理，而尽量保证人眼较为敏感的部分。 基于这两点，视频压缩技术就是保留视频信号中入眼比较敏感的信息，对不敏感信号和冗余信息进行压缩，以适用于存储或传输的编码技术。根据压缩过程是否完全可逆，即压缩后的数据是否可以完全还原成压缩前的数据，视频压缩分为无损压缩和有损压缩两类。无损压缩的编码效率很低，压缩率通常在十倍以下，主要适用于对数据精度要求较高的应用，例如医学图像处理。有损压缩一般采用量化技术，能够实现十倍以上甚至上百倍的压缩率。有损压缩后的数据只能近似的重构原始图像，因此压缩率和图像质量之间形成一种相互制约的关系。通常情况下，量化会降低图像客观质量，但根据人眼的视觉特性，选择合适的量化因子，弱化视频信息的高频部分，图像的主观质量不会受到很大的影响。 在这些研究的基础上，视频压缩的主要技术分预测编码，变换编码和熵编码等。这些技术广泛应用于现有的各个视频压缩标准中，并不断得到改进。 浙江大学博士学位论文,(,(,预测编码 预测编码是利用图像时间和空间的相关性，通过时间或空间相邻像素进行预测编码，从而有效降低图像时空冗余度的一种压缩技术。根据时间相关性和空间相关性，预测编码可分为帧间预测和帧内预测两类。 帧间预测编码利用连续图像之间的数据相关性，降低时间上图像信息的冗余度。当前编码帧中的像素以参考帧像素作为参考，通过运动估计和运动补偿，得到预测值和实际值的残差值，只需要编码传递残差值和预测信息。统计表明，对于缓慢变化的,,,级灰度图像序列，帧问差超过阈值,的像素不到一帧像素的,,;对于剧烈变换的,比特精度亮度值的彩色电视序列，帧间差超过阈值,的像素平均只占一帧的,(,,【,,。因此残差值的动态范围比原始值小得多，通过编码残差值，可以大大减小数据量，有效地去除帧间的数据冗余。 在帧间预测编码中，一般将图像分成若干像素数据块进行。当前待编码图像以块为单位在参考图像中搜索最佳的匹配块，并获得两者之间的空间位置的相对偏移量一一称为运动矢量(,,(,,,,,, ,,,,,,，该过程称为运动估计(,匣:,,,,,, ,,,,,,,,,,)。运动矢量和运动匹配后得到的预测残差通过编码后传输，解码端根据运动矢量，从已经解码的重构图像中找到相应的预测块，和解码的预测残差数据相加后就得到重构的块数据。根据帧间预测参考帧的数量和位置，可分为前向预测，后向预测和双向预测，如图,(,。帧间预测编码中，运动搜索和运动估计的运算量巨大，运动搜索算法的选取直接影响图像质量和编码实现复杂度，是实时应用的瓶颈之一。 前 前向帧,(?, 当前帧, 后向帧,，,, 图,(,运动估计 大量统计表明，同一幅图像的邻近像素之间有着很强的相关性，即邻近像素值之差很 小，如图,(,所示,,,。图像相邻像素的差值信号的方差和原始像素本身的方差相比较小，如果对差值? 辛炕 嗦耄 淞炕 鞯亩 段Э梢运跣。 庋 扛鱿袼氐谋嗦氡忍厥 涂梢缘玫较灾 档汀,?谠げ饩褪鞘褂谜庋 姆椒ɡ唇档涂占淙哂喽取?, 绪论 ,, , 》 , , , , , .