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1、华中科技大学 硕士学位论文 小波视频编码的率失真优化 姓名：徐俊 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：周敬利 20060423 I 摘摘 要要* 随着计算机技术进步，特别是网络技术以及相应的网络应用的飞速发展，对于视 频编码技术也有了更高的要求。现有的视频编码标准如 MPEG-4、H.264 等已经在视 频编码的性能上取得了卓有成效的进步。但是这些标准采用的 DCT 和块运动补偿的 混合框架有其局限性。如何去除块效应和实现可伸缩性编码是面临的主要问题。小波 视频编码能够很好的解决这些问题。在对小波变换编码的长期研究基础上，结合国家 高技术研究发展计划(863)项目，改进了小波视
2、频编码框架。针对框架中的多项重要技 术进行了率失真优化，提高了编码器的整体性能。 针对帧内和帧间信号的不同统计特性，采用双正交小波和多重小波来有针对的去 除信号间的相关性。 小波系数的量化编码选择了具有高效率的 SPIHT 算法。 在帧间编 码中，对多块大小运动估计，多参考帧运动估计，亚象素运动估计等多种运动预测技 术进行率失真优化。多种块大小、多参考帧和亚象素运动估计提高了运动预测的准确 度，降低了预测残差的能量。通过拉格朗日函数，编码器自适应的选择块大小、参考 帧和运动矢量精度。率失真下的快速运动搜索算法在不降低质量的前提下减少大量计 算复杂度。重叠块运动补偿能有效的减少残差图像中的高频分
3、量，有利于小波变换。 针对多种块大小，进行自适应块大小的重叠块运动补偿，并比较了不同的相邻块的选 取法则和重叠窗对重叠块运动补偿的影响。针对不同类型的信息采用了不同熵编码方 案。 在小波视频编码的实验平台上，对上述各项技术进行了测试和比较，实验数据表 明单项技术的率失真优化提高了率失真性能。优化后的小波视频编码的性能明显优于 MPEG-4。 关键词关键词：视频编码，小波变换，率失真优化，运动补偿预测 * 本研究工作受国家高技术研究发展计划(863)高效帧间预测与新型变长编码及小波编码框架(项目编号： 2002AA11901010)资助 II Abstract* With the develop
4、ment of computer technology, especially the development of network and applications based on network, more and more demands lead to emerging of new standards. International standards such as MPEG-4 and H.264 achieve outstanding performance. However, the hybrid scheme with DCT and block-based motion
5、compensation used in these standards brings blocking artifacts into the reconstructed pictures and has difficulty in supporting scalability. Video codec using Discrete Wavelet Transform (DWT) does not have this kind of problem. Based on long term research in wavelet filter designing, image compressi
6、on and video coding, the video coding framework based on DWT is improved, by support of the Project of National High Technique Research and Development (863). The techniques in this new framework are rate distortion optimized. The residual images in P frame have quite different statistics from image
7、s in I frame. Biorthogonal wavelet and multiwavelets are used to process these images respectively. Wavelet coefficients are quantized by SPIHT algorithm. Rate distortion optimization for new techniques is conducted in P frame, such as variable block-size motion estimation, multiple reference pictur
8、e motion compensation, sub-pixel motion compensation. Motion compensation with variable block sizes, multiple reference pictures and sub-pixel can produce more accurate prediction frame and reduce the energy contained in the residual images. Using Lagrange function, codec selects the block sizes, re
9、ference frame and sub-pixel motion vector adaptively. Rate distortion based fast motion search algorithm decreases computation complexity without loss in quality. Overlapped block motion compensation (OBMC) can reduce the high frequency components in residual images, which benefits DWT. Adaptive blo
10、ck-size OBMC is a new way to conduct OBMC in variable block-size situation. Neighboring selection rules and different windows are tested in this new algorithm. For different elements, different entropy coders are used. * This work is supported by the Project of National High Technique Research and D
11、evelopment (863): A High Performance Framework of Inter Frame Prediction, New VLC, and Wavelet Coding (No.2002AA11901010) III Experiments on the wavelet video codec are conducted to evaluate and compare different techniques. Results suggest that rate distortion optimization improves the rate distort
12、ion performance of the codec. Optimized wavelet video codec has better rate distortion performance than MPEG-4. Keywords: Video Coding, Wavelet Transform, Rate Distortion Optimization, Motion-compensated Prediction 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体
13、已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签
14、名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论绪论 进入信息时代，人们越来越依靠数字化的信息。以视频和音频为主的多媒体数字 化信息具有数据海量性，与当前硬件技术所能提供的存储和网络带宽之间有很大的差 距。因此，对于多媒体信息的压缩处理成为了科研人员和工程师们致力研究的领域。 视频编码是多媒体信息压缩的一个重要的分支。视频编码的目的是要减少视频序 列的码率以达到压缩的目的，方便存储和传输。经过多年的研究，国际上制订了一系 列的国际标准，如 ITU-T 的 H.26x 系列以及 ISO/IEC 的 MPEG 系列。这些标准覆盖 了很大的视频码率范围和应用领域，支持不同速
15、率、不同图像质量要求的视频应用， 能够满足包括电视会议、视频电子邮件、可视电话、广播级视频应用等不同需求的服 务。 随着计算机技术、微电子技术的不断进步，特别是网络技术以及相应的网络应用 的飞速发展，对于视频编码技术也有了更高的要求。除了提高压缩效率（在相同的图 像质量下所需码率更低或在相同的传输速率下提供质量更好的图像） ，同时需要支持 不同的传输速率以适应不同的传送网络。 1.1 视频编码的研究现状视频编码的研究现状 在工业界各种应用中几个比较成功的经典视频编码标准如 H.2631、H.2642、 MPEG-23和 MPEG-44都采用了一种基于 DCT56(Discrete Cosine Transform)和块运 动补偿预测混和编码方法。图 1.1 给出了一个经典的视频编码流程框图。 帧间 码 流 变 换量 化 变长编码 逆量化 逆变换 帧缓冲 运动补偿 运动估计 视频流 帧内 运 动 矢 量 裁 剪 图 1.1 经典视频编码架构图 2 视频编码的基本流程：首先对视频源输入的图像进行判断，如果此图像需要帧内 编码，就直接进行 DCT 和量化等处理；否则，根据存于帧缓存中的重构图像预测当 前帧，计算运动矢量等信息，再对预测误差值进行 DCT 和量化。对于量化后的系数 和运动矢量等信息都要进行变长编码，得到压缩
