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H.264可伸缩视频编码码率控制算法研究及其应用

杨金  
【摘要】:随着视频压缩技术的发展,最新的H.264可伸缩视频编码技术(H.264/SVC)提供了在时间、空间和信噪比不同级别上的可伸缩性。H264/SVC使用了分层的结构,每个SVC视频比特流由一个基本层和一个或多个增强层组成。每个增强层要么提高视频(空间或时间)分辨率要么提升视频序列的质量,所以SVC数据流的比特流可以适应于不同的传输环境、不同的视频应用,以及不同的网络要求。与此同时,随着多媒体数据的使用显著增长,作为在无线通信中最重要的突破之一,多输入多输出(MIMO)技术通过在发射和接收端设置多个天线来增大无线信道的吞吐量,可以提供更高的数据吞吐量和更低的网络延迟。由于分层的H.264/SVC视频流从本质上适合在MIMO信道上并行传输,SVC与MIMO技术的自然结合能显著提高无线视频应用的整体性能。 当压缩视频用于无线网络传输时,过高的码率输出会导致网络拥塞和视频数据包的丢失,同时过度减少输出比特率则可能导致不必要的质量退化和可用网络带宽的浪费。码率控制算法(RC)必须根据可用的网络带宽控制视频编码器输出的比特率,同时获得最佳的视觉质量并保持缓冲区充盈度在一个可接受的范围之内。因此,码率控制算法在视频压缩和传输中都起着重要的作用。 为了实现H.264/SVC视频编码技术与MIMO无线系统的有效结合,本文全面系统地研究了H.264/SVC可伸缩视频编码码率控制算法,以及H.264/SVC-MIMO系统的联合控制算法,设计和实现了一个高效的实时无线视频压缩传输系统。 本文的主要内容及创新点如下: (1)分析了H.264/SVC可伸缩视频技术的基本原理以及现有的各种码率控制算法的优缺点。 (2)首先提出了H.264可伸缩视频编码的初始帧QP计算方法。该方法相对于现有的方法提供了更为精确的初始QP值估计。 (3)进一步提出了H.264可伸缩视频编码的基于增量的码率控制算法,相对于H.264/SVC参考软件JSVM中使用的码率控制算法,本文中的算法不仅实现了基本层的码率控制,而且实现了时间、空间和质量增强层的码率控制,并提供了更为精确的输出编码比特率和更好的编码质量。 (4)在基于增量的H.264/SVC码率控制算法的基础上,对Inter帧码率控制进行了进一步研究,提出了自适应的Inter帧层间码率控制算法。降低了视频中的画面突然剧烈改变对码率控制算法的影响,提高了控制的精确性。 (5)为了实现H.264/SVC与MIMO无线通信系统的结合,提出了H.264可伸缩视频流的抽取和重组算法,该算法可以将不同的可伸缩层分别抽取出来成为独立的数据流,通过MIMO无线传输系统的不同子信道上进行传输,并在接受端重组为可解码的数据流。 (6)最终将H.264可伸缩视频编码的码率控制算法与MIMO无线传输系统相结合,通过将MIMO信道状态的预测及时反馈给编码器进行源-信道联合码率控制,实现了H.264/SVC数据流在MIMO无线系统上高效稳定的传输。


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