基于编码单元特征分析的H.264到HEVC快速视频转码算法研究

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H.264是上一代最重要的视频压缩编码标准之一,它的视频压缩比高,且具有很好的灵活性和网络传输特性,因此在HEVC(High Efficiency Video Coding)出现以前,H.264协议一直是各大厂商首选的编码压缩标准。但随着高清、超高清视频的出现和流行,H.264在编码结构上及相关技术上的局限性使其很难再满足人们的要求,因此自HEVC协议诞生以来,它便凭着其高效的压缩比和优秀的性能表现迅速占领巨大市场,并逐步取代H.264成为最为重要的压缩标准之一。在这样新旧协议交替的背景下,H.264与HEVC必定会在相当长的一段时间内会共存,所以实现H.264到HEVC的转码具有很强的市场价值。H.264到HEVC转码技术通常采用传统的级联型转码器,但是重编码过程的高复杂度使得该类转码器整体实时性差,在实际应用中无法被直接使用。因此,实现H.264到HEVC的高效转码具有很强的研究意义。本文通过对编码单元的特征分析提出了两种快速转码算法,这两种算法分别作用于具有极大计算冗余的编码单元(Coding Unit,CU)深度判决过程和帧间预测单元(Prediction Unit,PU)模式选择过程。针对重编码过程中CU深度判决过程,我们首先从H.264解码信息中提取了相关性较强的特征,并针对这些特征进行了匹配性分析,然后依据这些特征的匹配性分布规律提出了三输出分类模型。接着我们针对该模型提出了特定的特征矢量构建方法和基于支持向量机的三输出分类器设计方法。三输出分类模型可以依据输入特征对CU的最佳深度进行预判,指导编码器自适应地跳过或提前终止对不必要CU深度的检索计算,加快CU深度判决过程。实验证明,所提算法在Low Delay_P配置环境下在平均上以1.21%的BDBR损失换来44.06%的时间节省。针对重编码过程中的帧间PU模式选择过程,我们提出了分层终止的快速算法,包括快速Skip模式判决,快速Merge和2Nx2N(M&S)模式判决和快速Intra模式排除三个部分。这些算法利用H.264解码信息提前筛选出PU模式中占比较高且计算复杂度较小的Merge(包括Skip)和2Nx2N模式,同时提前排除占比较小的Intra模式使PU模式选择过程大为简化。实验证明该算法以1.47%的质量损失实现了接近35.14%的质量损失。最后我们对快速CU判决算法和PU模式分层终止算法进行了综合测试,实验结果显示,综合算法在LowDelay_P配置环境下以2.08%的BDBR损失的代价换取55.30%的时间节省,大大加快了转码的整体速率。本文针对H.264的解码信息与HEVC的最佳CU划分和PU模式的匹配性规律进行了详细的分析,并结合机器学习算法对不必要的CU深度和PU模式进行了较为准确的筛选判断,提高了转码速率,对转码的实时性研究有一定的参考意义。
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