基于新视觉掩藏效应的HEVC感知码率控制研究

Rate control is a research hotspot in real-time video communications. In the new generation of video coding standard HEVC there is the need of good subjective quality of reconstructive video. Therefore, it is necessary to develop the rate control algorithm form the new angle of perception for HEVC. In the program, the research object is the low delay structure in HEVC, and the research contents include visual computation model and perceptual rate control. In the proposed algorithm, the temporal and regional characteristics of video signal are considered completely to firstly propose a new visual masking effect and build a region based visual computation model. Secondly, the sigmoid function is used to propose a new rate control base unit partition method based on the new visual masking effect. Thirdly, a new objective video quality assessment and a new corresponding coding distortion are propose to reflect the subjective quality and establish a new perceptual rate distorion model. Forthly, a new R-Q model for HEVC and the QP determination method based on the same subjective quality are proposed. Finally, the HEVC video communication software platform with perceptual rate control is built, and the proposed technologies can enrich the video rate control theory.

视频码率控制一直是实时视频通信中的研究热点之一。新一代视频编码标准HEVC对重构视频有着主观质量的要求，需要从视觉感知的新角度出发来研究码率控制。本项目以HEVC低时延框架为研究对象，研究视觉计算模型和感知码率控制技术。在研究中，充分考虑视频信号的时域特征和区域特征，提出新的视觉掩藏效应，建立基于区域感知的视觉计算模型；利用非线性作用函数，提出基于新视觉掩藏效应的码率控制基本单元划分方法；提出反映主观性能的新客观质量评价准则和相应的编码失真，建立感知率失真模型；给出适用于HEVC的新R-Q模型，提出基于主观质量相同的QP确定方法。最终建立具有感知码率控制的HEVC视频通信软件平台，进一步完善视频码率控制理论。

视频码率控制一直是实时视频通信中的研究热点之一。项目以HEVC低时延框架为对象，研究视频码率控制技术，提出相应方案，进一步完善视频码率控制理论，并将其用于实时视频通信中。.项目主要研究码率-量化（R-Q）模型、帧内编码帧的量化步长（QP）确定方法、帧层比特分配方法、编码树单元量化步长确定方法等技术，提出相应创新。为了将码率控制用于实时视频通信中，需要降低HEVC视频编码的计算复杂度，主要研究HEVC预测单元快速选择、SHVC预测单元快速选择、屏幕内容编码帧间快速编码、屏幕内容编码预测模式快速选择等技术。另外，对于HEVC后续的新一代视频编码技术进行探讨，主要研究深度受限的群体图像编码、面向运动物体的群体图像编码、面向大角度几何失真的群体图像编码、群体图像集的图像插入、面向具有优先级图像的群体图像编码等。.项目提出的HEVC码率控制算法，与目前已被HEVC参考模型HM采纳的优秀码率控制算法如JCTVC-I0094和JCTVC-M0036相比，在平均BD-PSNR上新算法分别能够提高0.65dB和0.09dB。与发表在视频领域顶级期刊《IEEE J. Sel. Topics Signal Process.》的论文“Rate-GOP based Rate Control for High Efficiency Video Coding”中的码率控制算法相比，新算法能够获得近似的率失真性能。然而，相比于以上三个算法，新算法能够获得更小的比特率不匹配误差。.项目提出的使用运动同质编码单元的HEVC快速编码算法，与HEVC原始方法相比，在编码效率保持几乎不变的情况下，能够节省平均47%的编码时间，而现有最好的快速编码算法只能分别节省35%、29%、30%、27%的编码时间。.项目提出的基于率失真优化的多参考图像选择的群体图像编码算法，与HEVC帧内编码相比，能够减少21%的BDBR，而目前最优秀的群体图像编码算法只能减少15%。.本项目中新算法的提出，使得HEVC编码端能够实时地改变编码比特率，使之适应变化的带宽。而且，能够在不降低编码效率的前提下，大幅降低视频通信的时延，满足人们实时通信的需求。