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视频传输中的码率控制和转码技术研究
其他题名Research on rate control and transcoding technology of video transmission
尚书林
学位类型工学博士
导师卢汉清 ; 杜清秀
2007-05-30
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业计算机应用技术
关键词码率控制 率失真模型 快速运动估计 运动矢量映射 运动矢量优化 Rate Control Rate-distortion Function Fme Mv Mapping Mvr
摘要码率控制算法作为视频传输中编码器/转码器的重要一环,控制着输出视频码率的变化,影响着输出视频质量的好坏。同时,由于多种视频标准的存在,在不同网络、不同用户之间共享压缩后的视频时,需要利用视频转码技术对已压缩视频流进行转换以产生符合不同网络带宽和接收终端处理能力需求的视频码流。本文正是基于这种应用需求对码率控制和视频转码技术进行了深入地研究和探讨。本论文的创新点及主要成果如下: [1] 提出一种积分码率控制算法。MPEG-2的TM5码率控制算法是一种优秀的码率控制算法,由于它引入了复杂度分析、码率分配、码率控制、自适应量化等概念方法,从而可以较准确地控制视频流的输出码率。本文分析了TM5码率控制算法中归一化公式上下调整不对称和量化参数过度调节问题,分析了自适应量化公式和码率控制部分前后不相匹配的问题,提出了基于TM5的积分码率控制算法。实验结果表明,该改进方法不但有效降低了原TM5码率控制算法的复杂度,同时获得较大的增益。 [2] 提出一种低复杂度的宏块级码率控制算法。本文针对H.264 JVT-G012宏块级码率控制算法高复杂度的特点,利用上面得到的积分控制机制,结合JVT-G012的GOP层、帧层控制策略,给出了一种低复杂度的宏块级码率控制算法。该算法避免了传统码率控制算法与率失真优化技术之间的矛盾。同时与原算法相比,该算法有着计算量小且内存需求低的特点。实验结果表明,该算法同时适应恒定码率(CBR)和可变码率(VBR)情况,码率控制更加准确,同时得到的平均PSNR值与原算法基本相同。 [3] 提出一种降分辨率转码中的运动矢量混合映射算法。为有效利用H.264多块运动补偿模式(MCP)的特点,在提高MPEG-2到H.264转码速度的同时取得好的视频质量,本文提出了一种降分辨率情况下MPEG-2到H.264转码的运动矢量混合映射算法。根据四个输入运动矢量的方差,使用阈值的方法在4:1、1:1、2:1映射中进行选择以分别支持16x16、8x8、16x8/8x16运动补偿模式。然后使用加权平均滤波器或者是中值滤波器把多个运动矢量映射成一个新宏块的运动矢量,降低了运动搜索的复杂度。 [4] 提出一种转码快速运动估计算法。MPEG-2到H.264级联转码器的速度主要受H.264编码器计算复杂度的影响。由于存在多种MCP 模式,编码器的运动估计模块耗费了大量的时间。为了加速转码且取得好的视频质量,本文研究了MPEG-2到H.264转码中的运动矢量优化 (MVR)技术和快速运动估计算法,并提出了一种转码快速运动估计算法。在此算法中,为优化输入运动矢量,提出一种双钻石MVR技术,并把此MVR技术和和传统H.264快速运动估计算法相结合,充分利用了H.264中的多种MCP模式。此算法在取得好的视频质量的同时,有效地降低了转码的复杂度。 [5] 设计并初步实现一个视频转码系统框架。结合上述提出的视频转码技术和码率控制算法,本文设计并初步实现了一个MPEG-2到H.264软件视频转码系统框架,实现了降比特率、降分辨率和简单降帧率转码功能。文中在分析各种视频转码器框架的基础上,采用重用输入运动矢量的级联转码结构,并设计和实现MPEG-2到H.264转码软件系统。该系统在提高转码效率的基础上输出视频质量较好,可以用于IPTV中的转码系统等领域。
其他摘要In this paper, rate control schemes and video transcoding techniques were studied and the following outcomes were put forward in the research: 1.An integral rate control algorithm. In TM5 rate control algorithm, the conceptions and methods of complexity analysis, bit allocation, rate control, and adaptive quantization are introduced to control the bit rate of compressed video accurately. In this paper, the problem of normalized equation in adaptive quantization equation was discussed and the problem adaptive quantization doesn’t couple well with the rate control equation was analyzed. Through analyzing the equation of rate control, an integral rate control strategy was obtained. At last, an improvement with lower complexity was proposed, which made a big gain. 2.A low-complexity macroblock level rate control algorithm. The JVT-G012 rate control scheme of H.264 has the problem of high complexity. In this paper, to reduce complexity, the integral rate control was adopted, and a macroblock level low-complexity rate control scheme of H.264 was proposed. The PSNR of new rate control algorithm was similar to JVT-G012’s while being competent for both VBR case and CBR case. 3.Mixed MV mapping scheme for video transcoding. To utilize various MCP (Motion Compensated Prediction) modes of H.264 and speed up the transcoding while achieving good video quality in reducing resolution transcoding, a mixed motion vector mapping scheme for MPEG-2 to H.264 transcoder was proposed. Based on the variance of the input motion vectors, this scheme selected the best one from 4:1, 1:1, 2:1 mapping modes, and then mapped MVs into one MV by median value filter. 4.FME algorithm for video transcoding. In MPEG-2 to H.264 cascaded transcoder, the computational complexity of H.264 encoder is high, especially the ME module of encoder cost much time. In this paper, in order to reduce complexity and accelerate transcoding, a FME algorithm for video transcoding was suggested. Firstly, this algorithm utilized a new two-diamond MVR technique to refine on the input MV, which achieved fast transcoding speed. Then, considering the various MCP modes in H.264, this algorithm combined the MVR technique with UMHexagon FME algorithm and achieves good video quality. 5.Designing and implementing a video transcoding system. In this paper, the researcher utilized the techniques proposed above, adopted the cascaded transcoding architecture reusing input MV, designed a software-based MPEG-2 to H.264 video transcoding system, and realized the functions of reducing bit rate, reducing resolution, and reducing frame rate. Meanwhile, the researcher selected the right MPEG-2 decoding and H.264 encoding software, and then optimized the cost-time module of transcoder. This system has high efficiency and makes good video quality, can be used in areas such as IPTV.
馆藏号XWLW1073
其他标识符200418014628008
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/5989
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
尚书林. 视频传输中的码率控制和转码技术研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2007.
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