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多模型联合优化的图像视频编码关键技术研究

王叶斐  
【摘要】:随着如4K直播,远程会议,监控视频系统等应用的快速发展,图像视频数据量的爆炸式增长,海量图像视频数据的高效存储和传输给编码压缩技术带来前所未有的挑战。因此,探索更高效的图像视频压缩技术,进一步提升压缩的效率,是图像视频编码的根本目标。而编码问题本质是一个率失真优化问题。传统的编码方法主要采用了混合编码框架,这种方法依据图像处理以及计算机视觉的相关经验,通过人工设计算法如预测编码算法,变换编码算法,以及熵编码算法等一步步去除视频图像中的信息冗余,从而实现压缩。并在每一步通过多个不同压缩模式的优选来解率失真优化问题。但这种方法存在两个问题,一方面它首先高度依赖人工设计算法和参数调优,由于人工经验的局限性,在一些复杂或特殊场景下,算法的效率往往较低。另一方面不同模块的优化都是独立的,而没有考虑每个模块之间的联动,理论上会导致率失真优化处于局部最优。本文针对过去编码框架中多模型应用过程中存在的问题,首先研究在传统编码框架下的精准模型设计与多模型组合优选算法;然后将端到端压缩方法和传统框架结合,研究基于集成学习的端到端压缩算法;最后在此基础上将多模型编码代价也引入多模型训练,研究多模型率失真的联合优化。论文主要的研究工作与贡献如下:(1)本文针对传统编码框架下多模型精度差的问题,研究面向复杂场景的精准模型设计和多模型组合优化算法。对全景视频中存在的复杂运动畸变,首先从数学理论推导的角度设计一种基于球坐标变换的帧间预测运动模型,该运动模型可以更好刻画全景视频中的运动畸变。随后设计新运动模型的帧间编码算法,包括运动补偿算法和运动估计算法,并通过一些巧妙的方法简化算法并将其集成到现有编码框架。最后将新模型与现有框架中的多种运动模型相互融合,实现多运动模型的组合和快速优选算法。实验表明新运动模型和多模型组合优化方法可以有效提升帧间预测精度,提高对全景视频的压缩率,并降低解码复杂度。(2)本文针对传统编码框架中模块间无法联合优化问题,尝试进一步突破传统框架,将端到端网络压缩方法与传统框架相结合,并借助传统框架多模型优选的率失真优化方法的思想,解决端到端网络模型自适应差,复杂度高的问题,从而提出一种基于集成学习的端到端图像压缩框架。该框架采用分块自适应模型优选,本文为此框架的模型设计了多种模型生成算法,并采用如改进的提升方法,几何自集成等模型生成方法解决模型训练代价过高的问题,并同时保证模型的多样性。实验表明,基于集成学习的端到端图像压缩方法可以在不增加解码复杂度的情况下,有效提升压缩效率,反过来也可以在保证压缩效率情况下,减小解码复杂度。进一步的实验还证明了本文的方法具有良好的泛化能力。(3)本文针对多模型训练中并没有考虑多模型编码代价的问题,尝试将模型编码代价引入多模型训练,提出一种多模型率失真的联合优化方法,应用场景面向深度神经网络图像环路滤波。首先采用一种多模型联合训练的方法训练多个滤波网络,随后设计了一种在不同码率约束下控制模型的编码码率的方法。并通过基于退火的训练方法,解决模型训练中的坍缩问题。进一步地,设计了依据失真幅度的模型组优选+模型优选的两步优选方法,从而实现了比仅仅采用模型优选更优的率失真性能。在解码端通过图像块级自适应的两步模型优选,完成整个深度神经网络环路滤波的框架的构建。实验表明,该方法可以有效实现对多模型的编码码率控制,并且有效抑制模型坍缩,提高多模型深度神经网络滤波的率失真性能。


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