基于HEVC的错误隐藏关键技术研究

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随着广播电视和视频娱乐产业的飞速发展,视频应用不断向高清晰度、高帧率、高压缩率方向发展;当前主流的视频压缩标准H.264/AVC的局限性也不断凸显。因此,2010年4月在德国德累斯顿召开了JCT-VC(Joint CollaborativeTeam on Video Coding)第一次会议,确定了新一代视频编码标准—高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)。这种编码标准的目标是把压缩效率提高一倍,即在保证相同解码质量的前提下,将码率减少50%。然而,当视频数据在IP网络或无线移动网络中传输时,随机误码的发生导致视频数据的受损是不可避免的。由于HEVC仍然沿用H.264/AVC的帧间和帧内预测机制,高效压缩后的HEVC码流对信道误码很敏感,即使少量的误码也可能会严重影响视频重构质量,因此基于HEVC的差错控制技术是HEVC面向应用的重要研究内容之一。由于视频内容在时间域和空间域具有较强的相关性,因此受错误影响的视频数据可以利用其时间邻近与空间邻近的正确接收的视频数据进行恢复,这就是错误隐藏(Error Concealment,EC)技术的基本思想。本文在充分分析新一代视频编码标准HEVC特点的基础上,重点对HEVC解码端后处理的错误隐藏技术进行了深入的研究,提出了适用于HEVC特点的错误隐藏算法,主要研究工作包括:1.提出了HEVC基于不同运动及纹理区域的错误隐藏算法。传统的隐藏算法没有充分挖掘视频内容的运动及纹理特性,本文根据丢失块的运动特性将丢失块所在的区域划分为:静止区域、运动简单区域和运动复杂区域。其中静止区域在时域上保持了很强的相关性;运动简单区域的编码块结构较简单、运动一致性较强;运动复杂区域的运动信息较为复杂,需要对其进行更精细的掩盖。本文充分考虑了属于不同运动及纹理区域的编码块的运动特性,对属于不同区域的丢失块自适应地采用了不同的隐藏方法。这样,对于属于运动简单区域和运动复杂区域的丢失块都能获得较好的掩盖效果;而属于静止区域的丢失块则极大降低了运算复杂度。大量实验表明,在HEVC测试模型HM6.0下,与多种传统的隐藏算法相比,本文提出的HEVC基于不同运动及纹理区域的错误隐藏算法在总体上保证算法复杂度略高的情况下,显著提高了解码质量。2.提出了HEVC整帧丢失的基于不同尺寸块错误隐藏算法。当视频数据在某些信道情况较差的网络中传输时,连续的数据包丢失可能会导致整帧数据的丢失。传统用于整帧丢失的错误隐藏算法主要采用基于小尺寸块的运动矢量外推法(Motion Vector Extrapolation,MVE)。虽然MVE算法能够获得相对较好的重构质量,但是如果将其直接用于高分辨率的HEVC视频帧恢复时,错误隐藏时间会显著增加。本文在分析HEVC编码帧时域相关性和四叉树编码结构的基础上,提出了适合于HEVC整帧丢失的基于不同尺寸块隐藏算法。所提出的算法首先根据丢失块与时域邻近正确接收块的运动矢量(Motion Vector,MV)之间的相关性来判决当前丢失块是否为运动简单块;然后根据正确接收块的四叉树深度信息及丢失块的外推运动矢量相关性来估算丢失块内部的块分割情况;最后采用MVE算法对丢失块中不同尺寸的编码块进行自适应地隐藏。大量实验表明,与传统的隐藏算法相比,本文提出的面向HEVC整帧丢失的基于不同尺寸块错误隐藏算法在保证较高解码质量的同时,大幅度减少了错误隐藏时间。
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