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实时视频编码传输中H.264码率控制的研究与实现

作　者: 李毓蕙
导　师: 刘晓明
学　校: 重庆大学
专　业: 电路与系统
关键词: H.264 码率控制时空相关性低复杂度
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 137次
引　用: 1次
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内容摘要

在最近数十年的时间里,视频压缩技术和传输技术的长足发展使得视频通信成为了现实。作为ISO/IEC和ITU两大国际化标准组织联手制定的视频压缩标准,H.264以其优异的压缩性能和良好的网络亲和性得到了众多青睐,现在市场上已经出现了采用H.264编码的可视电话,足以说明H.264的重要价值。随着无线传输技术的成熟和进步,实时视频无线传输成为研究热点,这也催促着保持输出码率,使视频流适应信道带宽的视频码率控制技术不断改进和发展。同样是实时视频传输,在不同的应用中有着不同的侧重点。在生活娱乐中,人们对视频系统的要求往往是高清晰度的画面和逼真的视觉效果,而在工业和军事应用中,往往更为重要的却是毫厘不差的实时性和系统连续运转时的稳定性。本设计源于与科研单位的合作项目,研制的正是一个对实时性要求比较苛刻的视频传输系统,并需要为之设计适合的码率控制方案。论文首先研究了H.264视频压缩标准,参考了大量相关资料,设计了基于DSP的实时视频编码系统,具体讨论了DSP软件的设计过程,包括驱动编写,代码移植和优化。然后分析了H.264的码流结构,讨论了码流在无线信道中传输的健壮性问题,为本设计选用了参数集固化的抗误码方法。码率控制算法的研究与实现是论文的重点,论文研究了多种已有的码率控制方案,总结出常见的几种码率模型并分析了它们各自的优缺点。H.264编码由于采用了率失真优化技术,导致了其编码过程中的蛋鸡悖论,所以必须对传统码率控制方法进行重大修改,于是产生了H.264的众多码率控制提案。本文对这些提案进行了详尽的解读和深入的分析,讨论了前期提案对蛋鸡悖论的解决方法,以及后续提案对前期经典提案的改进。在此基础上,结合现阶段的研究成果,对码率控制的改进思想及相应方法进行了讨论。针对本设计的应用实际,本文的码率控制方案采用JVT-G012提案的码率控制框架,设计了低复杂度的宏块层码率控制策略,提出了一种结合运动矢量的时空域MAD预测法,充分考虑了图像的时空相关性,用于改进图像复杂度预测模型,将线性回归的计算复杂度降低为加权平均的复杂度。对率失真模型采用线性拟合代替二次拟合,极大地降低了运算复杂度。充分利用已编码单元信息对当前量化参数进行调整,有效控制码率。帧层缓冲区级别设置按实际缓冲区充盈度刷新,提高了帧层比特分配的合理性。实验证明,本文算法能有效的平滑峰值信噪比波动,并且算法复杂度低。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-13
  1.1 视频编码国际标准  8-10
    1.1.1 视频编码技术的发展历程  8
    1.1.2 MPEG 系列标准  8-9
    1.1.3 H.264/AVC 视频编码标准  9-10
  1.2 H.264 码率控制技术的发展  10-11
    1.2.1 经典的视频编码码率控制算法  10-11
    1.2.2 H.264 码率控制提案的发展  11
  1.3 课题的提出及应用背景  11-12
  1.4 本文主要研究内容及结构  12-13
2 H.264 实时视频编码系统设计  13-24
  2.1 H.264 编码关键技术  13-15
  2.2 基于DSP 的实时视频编码系统  15-24
    2.2.1 H.264 编解码器结构  16-17
    2.2.2 基于DSP 的视频编码器硬件方案介绍  17
    2.2.3 H.264 视频编码器的DSP 软件设计  17-24
3 H.264 码流分析及抗误码技术  24-28
  3.1 H.264 码流结构分析  24-26
  3.2 H.264 视频无线传输的健壮性分析  26-28
    3.2.1 H.264 中的抗误码技术  26-27
    3.2.2 本系统使用的抗误码方案  27-28
4 H.264 码率控制算法研究  28-48
  4.1 码率控制基本原理  28-29
  4.2 常见R-Q 模型分析  29-32
    4.2.1 对数模型  30
    4.2.2 指数模型  30
    4.2.3 二次模型  30-31
    4.2.4 线性模型  31-32
  4.3 H.264 的码率控制提案  32-48
    4.3.1 H.264 码率控制遭遇的悖论  32
    4.3.2 JVT-D030 对“蛋鸡悖论”的考虑  32-35
    4.3.3 JVT-F086 对D030 提案的改进  35
    4.3.4 经典提案JVT-G012  35-43
    4.3.5 JVT-H014 和JVT-H017  43-44
    4.3.6 JVT-0016 对G012 提案的改进  44-45
    4.3.7 JVT-W042 对G012 提案的改进  45-48
5 实时视频编码系统中 H.264 码率控制方案的实现  48-62
  5.1 H.264 码率控制算法的改进思想  48-49
    5.1.1 目标比特数分配的改进  48
    5.1.2 图像复杂度预测模型的改进  48-49
    5.1.3 R-D 率失真模型的改进  49
  5.2 低复杂度的宏块层码率控制策略  49-54
    5.2.1 结合运动矢量的时空域MAD 预测法  49-51
    5.2.2 R-D 曲线的线性拟合  51-53
    5.2.3 量化参数调整  53-54
    5.2.4 宏块层码率控制算法流程  54
  5.3 本文码率控制方案及实验结果  54-62
    5.3.1 GOP 层比特分配及初始QP 值确定  54-56
    5.3.2 刷新目标缓冲级别的P 帧比特分配  56
    5.3.3 标准测试序列的仿真结果  56-60
    5.3.4 实时视频编码系统中的实验结果  60-62
6 总结与展望  62-64
  6.1 全文总结  62-63
  6.2 研究展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
附录  68-70
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  68
  B 作者在攻读学位期间参加的科研  68-69
  C 基于DSP 与FPGA 的视频编码传输系统硬件PCB 实物照片  69-70
  D 本课题所属项目硬件实物图  70

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