视频转码若干技术研究

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通信、计算和互连网的结合为视频应用带来了前所未有的机遇,但也对压缩视频传输提出了新的挑战。网络的异构性和多种视频压缩标准的存在,导致视频设备和网络出现兼容性问题,而视频转码是有效解决这种兼容性问题的一种技术,其不仅解决不同网络结构、带宽及不同网络协议之间的兼容性问题,而且解决互相通信的设备之间采用不同压缩编码标准、不同的码率、不同的图像解析度以及不同的帧率之间的兼容性问题。本文研究工作就是围绕视频转码技术展开的。 首先,本文分析了目前几种用于码率转码中的码率控制算法,针对其不能精确产生目标编码比特数和没有利用输入压缩码流中压缩参数的缺点,提出了一种用于码率转码的精确码率控制算法FRCAT,其利用量化后非零的DCT系数个数与最终产生的编码比特数之间的近似线性关系来根据目标编码比特数选择合适的量化值,并用输入压缩码流中信息来估计FRCAT模型参数K<,i>从而能在图像高质量的基础上,比较精确地产生目标编码比特数。在码率转码时,通过估计未压缩图像DCT系数的概率分布参数可以达到减小再量化偏差的目的,有助于提高码率转码后图像的性能。但当一帧中各个宏块采用不同量化值时,用文献<[64]>中的方法无法从压缩码流中估计得到未压缩图像DCT系数的概率分布参数,因此本文构造了一种最大似然概率函数,其用输入码流一帧中的最大量化值量化后DCT系数为零的个数和不为零的个数之间的关系来估计得到未压缩图像DcT系数的概率分布参数,从而能有效地减小再量化偏差。 其次,针对网络带宽变化大的特点,本文提出了一种能在较大范围内改变压缩视频码率的联合时域与空域码率控制算法。在此算法中,联合改变每秒编码帧数和每帧的量化值,在编码失真最小的优化条件下,找到图像空间显示质量和视频序列的时间解析度的均衡点,达到更大范围改变压缩视频流码率的目的,从而能很好地适应网络带宽变化范围大的特点,有效地防止网络阻塞。在算法实现中,利用失真变化率随着码率的增大而减小的特点,大大加速判断是否需要跳帧以及确定跳帧数目的计算,并在跳帧后采用性能更优的运动向量重估计算法,在同等码率下提高图像质量。 针对网络容易丢包的特点,本文根据建立的端到端视频失真模型,在端到端失真最小的约束条件下,提出一种根据网络丢包率的大小确定帧内宏块数目以及编码比特数的自适应帧内宏块刷新算法。此算法应用于码率转码中时用拉格朗日乘数法将带失真约束条件的优化问题转化为无约束的优化问题,从而在不同丢包率下找到每帧帧内宏块数目和其编码比特数的优化解,并根据码率转码的特点,缩减了优化解搜索空间的大小,大大地简化了运算。经实验验证,在不同的传输带宽、不同的丢包率下,此算法都能取得很好的效果,性能明显优于文献[120]中的方法,从而在不同的丢包率下,能很有效地提高接收端的解码图像质量。 最后,本文讨论了如何有效地实现多路联合转码的问题。常用的多路联合转码算法中用编码复杂度作为码率分配权重,无法使转码后多路码流的编码失真趋向一致。因此在本文中,改用估计得到的各路码流的编码失真作为准则来进行码率分配。各帧在相同失真范围下的编码比特数相加得到编码比特数直方图,从而根据目标码率选择合适的直方图值,按照直方图中各帧的编码比特数组成给各帧分配合适的编码比特数,使其编码失真趋向一致,并且为了防止编码失真大的码流得到过多的编码比特数,通过限定各路码流量化值差值的范围保证了每路码流的最低图像质量。
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