基于博弈论的低码率视频编码的码率控制算法研究.doc

I摘要现代博弈理论由数学家冯诺伊曼创立的，博弈理论是在多重因素的考虑下，找到一种对各个因素来说最合理最优的一种均衡，即最优策略，这篇论文是论述了视频编码中博弈理论的运用，而最新的视频编码标准H.264运用了博弈理论的方法，在给定的码率下，选择最优化的编码模式，从而使编码后的失真度为最小。然而，H.264基于博弈论的率失真控制模型也有缺陷，因此，H.264视频编码标准的研究改进对促进视频编码以及通信技术的发展都具有十分重要的理论意义和应用价值。本文首先介绍了博弈论和H.264的编码原理，重点分析了H.264的帧内预测、帧间预测、整数变换及量化、熵编码等几个关键技术。接着分析了博弈论在视频编码中的运用，即对H.264的率失真控制模型进行分析改进，本文的实现部分是用参考软件JM9.5来做的，并且进行性能分析比较，实验结果表明，H.264编码标准可以在图像质量基本保持不变的基础上，有效的提高了压缩比，其编码性能比以往的所有编码标准有了重大提高，本文最后也提出了视频编码的最新的几个研究方向。关键词：博弈论视频编码编码模型率失真控制模型H.264IIAbstractModerngametheoryisfoundedbyFengNeumann,GameTheoryisintheconsiderationofmultiplefactors,tofindthemostoptimalandreasonablebalancedforthevariousfactors,thatistheoptimalstrategy,Thispaperisdiscussedtheapplicationofgametheoryinthevideoencoding.ThelatestvideocodingstandardH.264usedgametheorymethods,itchoosethemostoptimizedcodingmodewithgivenrate,tominimizethedistortionafterencoding,However,H.264Videocodingstandardsrate-distortioncontrolmodelwhichbasedongametheoryisdefective,so,theresearchandimprovementofH.264videocodingstandardhavegreattheoreticalsignificanceandvalueforvideoencodingandcommunicationtechnologydevelopment.ThispaperfirstintroducedgametheoryandH.264scodingtheory,andfocusontheanalysisofIntraPrediction,Interforecast,integertransformandquantified,entropycoding,andseveralotherkeytechnologiesintheH.264,thenanalysistheuseofgametheoryinthevideoencoding,andThatis,analysisandimprovetherate-distortioncontrolmodeloftheH.264,therealizationofH.264isusedtheJM9.5toachieve，andanalysisH.264VideocodingstandardsPerformance,Theresultsshowedthat,onthebasisofremainingthesameimagequality,thismethodcouldeffectiveimprovethecompressionratio,Comparingwithallthepreviouscodingstandards,theperformanceofthiscodingstandardhasasignificantincrease.Finally,thispaperalsomadethelatestvideoencodingseveralresearchdirections.Keywords:gametheory,videocoding,codingmodel,rate-distortioncontrolmodel,H.264III目录摘要.IAbstract.错误!未定义书签。1绪论.11.1课题背景.11.2课题研究的目的和意义.21.3国内外视频编码的发展概况.31.4本文框架结构.42博弈理论与H.264编码原理.52.1博弈理论.52.2H.264视频编码原理.73博弈理论在H.264编码中的运用.203.1基于Lagrangian优化算法的H.264编码控制模型.203.2H.264基于Lagrangian优化算法的编码控制的缺陷与新的改进.254H.264的实现以及H.264的性能分析.284.1H.264视频编码标准的压缩编码的实现.284.2H.264视频编码标准的解码实现.304.3H.264的性能分析.325总结与展望.345.1研究视频编码工作的总结.345.2视频编码工作的展望.35致谢.37参考文献.3811绪论1.1课题背景自1985年以来，ISO和ITU标准化部门(ITU-T:TelecommunicationStandardizationSector)发布了一系列图像和视频编码算法的建议。1990年，国际电报电话咨询委员会(CCITT:ConsultativeCommitteeInternationalTelephoneandTelegraph)提出了第一部视频编码标准，该标准在1993年由ITU-T以ITU-TH.261发表，用p64Kbps低速率实现在ISDN网上通信。H.261定义了一个完整的视频编码算法.采用了帧内图像编码、帧间误差预测、运动补偿、DCT、变长编码等技术，建立了取得巨大成功的基于块的混合编码框架，为后来的MPEG-1，MPEG-2等视频压缩标准提供了基础。1991年11月，ISO发布了视频编码标准草案MPEG-1，以1.52Mbps的速率实现在CD-ROM上的视频和音频存储。MPEG-1改进的主要内容是增加了B图像帧(双向预测)和图像组(GOR：GroupOfPictures)，这些改进具有更高的压缩比，同时定义了编码算法中各工具层的语法，使视频的可操作性更灵活1。ITU-TH.262，即于1994年发布的MPEG-2，是适于49Mbps传输速率HDTV的编码算法标准。MPEG-2标准能广泛应用于卫星广播业务(BBS)、电缆电视(CAM)、数字电视地面广播(DTTB)、点播电视(VOW)、数字声音广播(DAB)、多媒体终端、网络数据库业务、双工通信等众多领域。MPEG-2是工业标准DVD的核心标准。MPEG-2是MPEG-l的一个超集，它后向兼容MPEG-l。MPEG-2又对MPEG-1作了重要的改进和扩充。针对隔行扫描的常规电视图像专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式，并对运动补偿作了相应的扩充，使其编码效率显著提高2。1996年标准化组织开发的第一版新视频编码标准ITU-TH.2633，适用于PSTN网上64Kbps以下的低速率通信。H.263支持更多的图像格式、半像素精度运动估计、宏块(l616)运动估计和块(88)运动估计的自