面向视频会议场景的H.266/VVC码率控制算法研究

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视频编码是提高传输效率,降低数据存储压力的一种有效措施。新一代视频编码标准H.266/VVC(Versatile Video Coding)在各编码模块中引入新的压缩技术,极大提高了视频编码效率,可广泛应用在高清和超高清电视、远程医疗、视频会议等应用中。2019年年底新冠疫情爆发后,视频会议成为企事业单位远程会议,学校远程教学的主要途径。面对大量的会议视频用户,不同的会议场景,如何确保视频的通信质量,尤其是感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)的编码质量,成为目前视频编码领域的研究重点。码率控制技术既能产生匹配传输带宽的码流,还可通过比特分配调节保证主要编码区域的质量,是视频通信系统不可或缺的重要模块。由于VVC码率控制算法没有充分考虑编码帧的内容特性和最大编码单元(Largest Coding Unit,LCU)的时空域复杂度,导致比特分配存在误差,码率控制算法性能有进一步优化的空间。本文针对VVC码率控制算法在帧层与LCU层比特分配过程中存在的问题,对码率控制算法进行了优化。在此基础上,针对视频会议场景中ROI进行基于最大编码单元的目标比特调整,提高了视频编码的主观质量。本文针对H.266/VVC码率控制算法没有综合考虑会议类视频编码帧的实际纹理特征的问题,提出了一种基于视频内容相关特征值的码率控制算法。首先,通过引入灰度共生矩阵,计算出反映编码帧纹理复杂度的相关特征值,用于帧层图像权重的调整;然后,基于R-λ模型对LCU层的λ参数进行重新计算,调整权重分配大小,并在编码过程中根据实际消耗比特不断更新参数值,提高LCU层比特分配的精度。经测试,本文算法在低延时(Low Delay-P,LDP)配置下,与自适应权重分配算法相比,在更接近目标码率情况下,率失真(Rate-Distortion,R-D)性能提升了0.86%,改善了视频序列的主客观质量。为了提高会议类视频ROI的编码质量,本文首先基于LCU对会议类视频ROI进行检测,并以计算出的显著度值进行标记,然后使用Sobel梯度检测算子和MSE(Mean Square Error)比特检测算法分别检测LCU的纹理复杂度和编码代价,并对复杂度因子和编码代价进行联合加权,构建出一种新的权重因子,基于新的权重因子对待编码LCU比特权重进行调整分配。同时,通过LCU的显著度值进行目标比特分配调整,确保ROI的编码质量,达到优化会议视频场景的主客观质量的目的。实验结果表明,在LDP配置下本文所提算法相比于自适应码率控制算法的码率控制相对误差平均降低了0.011%,率失真性能提升了1.87%,改善了会议类视频的编码性能。
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