开题报告-hevc视频解码标准结构和复杂度分析

毕业设计（论文）开题报告题目HEVC视频解码标准结构和复杂度分析学院通信工程学院专业通信工程一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义随着视频技术的发展，特别是高清HD、超高清UHD、和多视点MULTIVIEW视频技术的兴起，各种视频信息已普及和深入到我们生产和生活的方方面面，以“智能”为标志的视频（图像）分析技术和以“高效”为标志的视频压缩技术近年来取得了长足进展。日渐增长的视频分辨率与传输视频所能占用的有效带宽之间的矛盾越来越大，视频编解码标准H264已经很难满足1080P及以上分辨率视频对于编解码效率的要求。为了在有限带宽下传输更高质量的视频需要进一步提高视频编解码标准的编码效率，HEVC应运而生。据估计，视频流数据将在2015年占到整个互联网流量的90左右，说夸张一点，整个互联网络差不多就是视频网了，即使在移动互联网中视频数据也占了50以上。另外，由于人们对视频质量的需求也在不断提升，包括时间和空间分辨率的不断提升、从二维视频到立体视频的转换等，导致视频数据量的不断增长尽管近年来网络带宽和存储能力增加迅速，但是也远不能满足以海量信息为特征的视频数据的传输和存储的要求。因此视频信息量的高效压缩过去是、现在是、在可预见的未来也必然是解决这一矛盾的重要技术措施之一。视频信息压缩技术在过去二三十年来的一系列视频编码国际标准中得到集中体现。从上世纪90年代初的第一代视频编码标准H261/MPEG1算起，包括后续的H263、MPEG2、MPEG4，其后历时十载余，到21世纪初的第二代视频编码标准H264/AVC，再越十载直到今天第三代高效视频编码HEVCHIGHEFFICIENCYVIDEOCODING标准，视频压缩的效率每进化一代都大至提高一倍，取得了很大的进展。HEVC的目标很清楚，提高视频编码效率，在相同的图像质量前提下，压缩率比H264/AVC高档次HIGHPROFILE提高一倍支持各类规格的视频，从QVGA到1080P，直至超高清视频4320P；在计算复杂度、压缩率、鲁棒性和处理延时之间妥善折中处理。新一代视频编码标准HEVC由JCTVC提出，作为新一代的视频编码标准HEVC的编码效率可以达到H264的两倍。虽然HEVC在编码效率的提高能使其更好的适应各种高清视频应用场合，但是HEVC标准的复杂度及软硬件实现难度也有所增加。面对这些新的应用需求，传统的视频编解码技术出现了以下性能限制（1）由于空间分辨率的增加,每个大小为1616宏块所承载的信息量大大减少，而相邻块之间的低频系数相关性却大大增加，因此出现大量的块间冗余；另外，由于分辨率的增加,帧间编码宏块的运动矢量幅值也大大增加,其统计特征不再呈现集中化分布趋势，因此指数哥伦布编码或变长编码模式的编码效率将逐渐下降。（2）随着图像分辨率的增加,宏块个数也出现爆发式的增长，用于表示每个编码宏块的模型参数，包括预测模式，运动矢量，参考帧索引以及量化步长等辅助信息等所占数据量过多，而用于编码预测残差变换系数的数据明显减少。（3）传统视频编码技术大都采用串行编解码模式，从左至右、从上至下逐个宏块进行处理，特别对于H264/MPEGAVC中的熵编码技术，即基于上下文的CABAC和CAVLC技术,以及运动矢量预测技术和环路滤波技术,宏块之间数据耦合性大,难以满足并行处理的要求,而对于GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的处理器来说,这种串行化处理模式已经成为制约运算性能提高的瓶颈之一4传统视频编码技术中,帧内/帧间预测块和预测残差变换块的大小相对固定,难以适应高清视频图像纹理特征的多样化分布特点,导致预测性能与预测残差系数编码效率均出现不同程度的下降5由于处理器性能的不断提升和芯片设计规模的不断扩大,传统视频编解码的运算复杂度不再是视频应用的主要瓶颈,可以采用相对复杂的预测模式选择和率失真优化技术来提高压缩编码效率2、研究的基本内容，拟解决的主要问题HEVC解码器基本流程与H264的解码器类似,HEVC解码器也是一种混合的架构,包括熵解码、反变换、反量化、运动补偿、喊内预测、环路滤波等多个组件。解码器首先从符合HEVC标准的码流中提取出各个语法元素,然后用这些语法元素重建出原视频的每帧图像。HEVC解码器的框图如图所示。熵解码输出HEVC解码器框图（1熵解码HEVC熵解码器只实现CABAC熵解码,熵解码模块从码流中解析出各个语法元素,然后将相应的语法元素送给解码器的其它模块。解码所得的语法元素主要包括残差系数、运动信息、帧内预测信息、滤波信息及其它的全局控制信息。由于HEVC对CABAC进行了相应优化,HEVC中CABAC在实现上比H264简单,且在数据吞吐量、并行化、内存使用方面都有了相应的改进。（2反变换与反量化解码端先对解码出的残差系数进行反量化,然后根据变换单元的尺寸对残差系数进行反变换操作。为降低计算的复杂度,在反变换环节,HEVC将二维的反变换分解成两个一维变换,HEVC中反变换包括反DCT变换与反DST变换。该环节的输出为样本点的残差矩阵。（3帧内预测HEVC解码端首先根据空间域上方、左方的像素点的帧内预测模式推导出当前块的三种最可能预测模式,然后根据码流中的相关语法元素确定出当前块的帧内预测模式。同时解码器还需要对参考样本的像素点进行滤波或替换,之后解码器根据当前块的预测模式及参考样本的像素点重构出当前块的帧内预测样本,与残差样本相加,得到当前块的帧内重构样本。（4运动估计HEVC解码端根据预测单元中的相应语法元素来对当前帧内预测块采取不同的操作。如果当前块釆用的是MERGE模式,解码端首先重构出当前块的运动信息候选列表,然后根据码流中传过来的索引值,从中选取相应的一组运动信息作为当前块的运动信息；如果当前块采用的是非MERGE模式,则解码器从当前块的时间域及空间域上对当前预测块的运动向量进估计得到当前块的运动向量的估计值,与码流中的运动向量残差相加,得到当前预测块的运动信息。在获取当前块运动信息的同时,解码端还要对参考样本点进行插值。之后,解码器根据当前块的运动信息,从参考样本中取出相应的图像块作为当前块的顿间预测样本,预测样本与残差样本相加,得到当前顿间预测块的重构样本。帧内预测译码缓冲区运动估计环路滤波框架缓冲区反变化与反量化（5环路滤波HEVC解码端首先对重构的样本点的8X8块边界进行滤波,去除因块处理而造成的块失真。之后解码器将码流中传过来的SAO偏移量加在去块滤波后的像素点上,对重构后的样本进行修正,提高编码解码的PSNR。拟解决的主要问题1、编程实现HEVC解码程序；2、利用视频测试序列测试HEVC解码程序，理清HEVC的解码模块结构；3、分析HEVC各解码模块的复杂度及其在总的解码中的比重。三、研究步骤、方法及措施1、查询和收集相关文献资料，了解最新的国内外研究状态。了解解码算法通过查阅相关资料初步了解解码算法的基本原理，特点和应用范围。2、掌握C编程语言过阅读相关书籍学习C基本操作以及C编程的基本知识。3、算法编程利用C编程语言，对解码算法编程，并进行调试和测试。4、算法仿真对解码算法在不同参数下、或者不同环境下进行仿真，并对性能进行分析或者根据结果提出改进措施。5、毕业论文撰写总结实验结果，撰写并且修改毕业论文，准备验收。四、研究工作进度序号时间内容12015/1/152015/3/9查阅文献，收集资料，理解课题，22015/3/102015/3/13完成文献综述、外文翻译和开题报告32015/3/14开题答辩42015/3/152015/3/31熟悉编程语言C52015/4/12015/5/10研究HEVC解码算法62015/4/112015/5/10分析各解码模块的复杂度及其比重72015/5/112015/6/1撰写、修改和定稿毕业论文82015/6/2毕业论文答辩5、主要参考文献1汪建军HEVC视频编解码标准研究及解析模块设计山东大学硕士论文，20142FRANKBOSSEN,BENJAMINBROSS,KARSTENSUHRING,ANDDAVIDFLYNNHEVCCOMPLEXITYANDIMPLEMENTATIONANALYSISJIEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMSFORVIDEOTECHNOLOGY,2012,22129699773周作成,贾克斌新一代视频编码标准HEVC关键技术及其应用J北京工业大学学报,2014,40101489