基于博弈论的低码率视频编码的码率控制算法研究开题报告.doc

开题报告I开题报告（毕业设计题目：基于博弈论的低码率视频编码的码率控制算法研究）一、目的与意义数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域，带来了会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用，促使了许多视频编码标准的产生，视频较其它的信息载体具有信息量大、方便实用等特点，在各个领域都得到了广泛应用，然而视频不进行编码来进行存储和传输是不可以想象的，基于图形学的理论，我们知道视频中每帧图象每行的有效数据分别是720个亮度采样点和360个色差信号采样点。每个分量都用了8比特的均匀量化，则数据量就达到160Mbps。1GB容量的存储器也只能存储不到10秒的视频图像，不进行数据压缩，要进行传输特别是实时传送视频信息几乎是不可能的，因此视频编码在数字视频处理，传输，存储中占着十分重要的地位，也是数字视频的一个最重要的应用。视频编码的目的就是减少视频序列的数据量，以便更容易在给定的信道上传输实时视频信息或者在给定容量的存储器中存放更多的视频序列。最新的视频编码标准H.264作为最新的国际视频编码标准，它支持从低带宽、高误码率的无线移动视频通信到高码率、低延迟的视频广播及在线流媒体等方面都有良好表现，因而受到业界广泛的关注。码率控制是视频通信中的关键技术之一，其控制效果的好坏直接影响到接收端图像的质量。由于视频序列中各帧图像的复杂度和运动的非平稳性，导致其压缩编码后的输出码流产生很大的波动。因此采用适当的码率控制策略将这种波动控制在一个限定的范围之内，以满足实时视频通信的需要是必需的，对其进行研究研究具有重要意义。而H.264编码器采用了基于Lagrangian优化算法的编码控制模型，起编码性能相对于以往的所有编码标准有了重大提高。本论文是基于博弈论的视频编码的算法也就是Lagrangian优化算法的研究，探讨最优化策略。二、主要工作内容论文的主要工作内容是首先介绍了博弈理论的相关概念及H.264编码标准的编码原理H.264标准的系统组成，接着介绍H.264编码标准的关键技术：帧间预测、帧内预测、整数变换及量化、熵编码、率失真优化等关键技术。其中主要探讨基于博弈论的最优化策略，也就是Lagrangian优化算法，最后论述对于Lagrangian优化算法的改进。开题报告II三预计达到的要求、预计的关键技术、技术方案1预期要求(1)熟悉并掌握最新视频编码H.264的编码原理。(2)深入研究博弈论在H.264编码标准中的运用。(3)对H.264编码标准的基于Lagrangian优化算法的编码控制模型进行分析，能够提出初步的改进方案。(4)开始构思H.264编码标准的实现方案。2预计的关键技术(1)帧内预测帧内预测编码的基本原理是利用己解码重构的邻近块像素来实现对当前编码块的预测，然后对预测块和实际块的残差进行变换、量化和熵编码。大量统计数据表明，视频序列空间相邻像素之间具有强相关性，邻近像素间发生突变的概率很小，存在大量的空域冗余，特别是在变化平缓的背景区域，如果利用帧内预测可以大大提高帧内编码的效率。在以往的编码标准中，帧内编码只是直接对像素值进行变换、量化和熵编码，编码输出的比特数很多。考虑到消除空间冗余，降低帧内编码的比特数，进一步提高压缩效率，H.264/AVC将帧内预测作为必须的编码工具固定下来，并且进行了大量改进。由于相邻宏块通常含有相似的属性，当宏块编码时，首先可以根据周围宏块对当前宏块进行预测，然后对预侧值与实际值的差值进行编码。在H.264编码器中，通过己编码的宏块(特别是在当前宏块左边和上方的相邻宏块)来预测当前宏块，然后对当前宏块与预测值的差值进行变换编码。这样能够有效地消除图像的空间冗余，大大提高压缩效率。为了适应图像的不同区域空间变化的不同，提高帧内预测的质量，H.264提供三种帧内预测方式:44亮度块帧内预测；16l6亮度宏块帧内预测；88色度宏块帧内预测。(2)帧间预测对于视频图像来说，当图像内容变化或摄像机运动不剧烈时，前后帧基本保持不变，相邻帧图像的时间相关性较强，前一帧图像和后一帧图像之间有很多的相似部分，这种信息冗余称作时间冗余。如果能充分利用相邻帧图像像素进行预测，将会有比帧内预测更高的预测精度，可开题报告III以进一步提高编码效率，这种基于时间相关性的相邻帧预测方法，称为帧间(Inter)预测。当前被编码像素所处的图像帧称为当前帧或编码帧，用作预测的相邻帧称为参考帧。在H.264中，除了具有在原有标准(H.263，MPEG-4等)中的P帧，B帧预测方法外，还增加了许多新的功能，如:块的尺寸范围更广；亚像素运动矢量的使用(包含1/4甚至1/8像素精度的运动补偿算法)；采用多参考帧进行预测编码的运用；采用去块滤波器消除由于块预侧误差产生的块效应等。(3)整数变换与量化经过帧内预测或帧间预测的宏块残差需要进行变换和量化。H.264对残差采用基于44块的变换编码，并使用了以整数为基础的空间变换，其过程和DCT基本相似，这种方法的优点在于:在编码器中和解码器中允许精度相同的变换和反变换，便于使用简单的定点运算方式，避免了浮点运算舍入问题造成的误差，从而导致正变换和反变换的“失配”问题；变换的单位由原来88的块缩减到44块，运动物体的划分更为精确，这样，变换块尺寸的减少可明显减少变换引起的块边缘噪声，而且44变换核没有乘法操作，只需进行加法和移位运算，同时，变换比例系数被整合到量化器中，大大提高了运算速度。（4）环路滤波器技术理想情况下，应该对一帧图像进行正交变换可以最大限度的消除空间冗余，但是由于计算量和复杂度的问题，现实中往往是将一帧图像分成多个小块，然后分别对各个块进行正交变换。然而，采用将图像分块进行正交变换后再回复的图像往往会产生“块效应”，对图像质量有非常大的影响，这在量化系数取得较大时，更加明显。其原因有三点:(l)舍弃了高频分量(2)对某些系数采用了较粗的量化(3)块虚像，块虚像是指在相邻块边界上人为的造成密度不连续，是最严重的干扰。在H.263等标准中，采用“事后处理”的办法，在解码端增加一个去方块滤波器以降低块效应。在H.264中，采用了环路滤波器技术来消除块效应。这个滤波器根据块边缘信息的不同采用不同的滤波权重，因而可以在有效消除块效应的同时又不会影响图像的锐度；另外，环路滤波是作为编码器的一部分直接对编码器端的参考图像进行的，参考图像在经过环路滤波器后才能真正成为参考帧数据参与到运动估计中去(参与帧内预测的块不经过开题报告IV环路滤波器)。与H.263标准中仅仅作为后处理的解码器端的去方块滤波相比，环路滤波在改善主观质量的同时还可以有效地提高编码器的编码效率。（5）熵编码视频编码处理的最后一步是熵编码，熵编码是无损压缩编码方法，它生成的码字可以经解码后无失真的恢复熵出原始数据。H.264协议在编码模块中定义了两种熵编码方式。一种是必选项，基于上下文的变长编码(ContextAdaptiveVariableLengthCoding，CAVLC)，该方法用相同的码表可以对不同的对象进行编码，很容易实现，在解码端也容易通过识别码字的前缀进行熵编码。另一种是可选的基于上下文的算术编码(ContextAdaptiveBinaryArithmeticCoding，CABAC)，算术编码是近十多年来发展循序的一种无失真信源编码，它是编解码两端都能使用所有句法元素(变换系数、运动矢量)的概率模型。为了提高算术编码的效率，通过内容建模的过程，使基本概率模型能适应随视频帧而改变的统计特性。它与最佳的Huffman编码相比，理论性能稍加逊色，而实际压缩率和编码效率却往往还优于Huffman编码，故很受工程上的重视。3.拟采用的实现技术方案基于博弈论的低码率视频编码的码率控制算法研究实现方案如下：这次实现方案主要是用JM9.5去实现H.264标准，从而体现H.264编码器采用了基于Lagrangian优化算法的编码控制模型的编码性能相对于以往的所有编码标准的重大提高，并实现对于Lagr