基于小波域的DVC到HEVC快速轉碼研究

徐胤顥+卿粼波+吳曉紅+劉曉娟

摘要 分布式視頻編碼是一種編碼端復雜度低、解碼端復雜度高的新型視頻編碼技術，HEVC則是編碼端復雜度高、解碼端復雜度低的新一代視頻編碼標準。通過視頻轉碼技術將分布式視頻編碼和HEVC中高復雜度的運算轉移到轉碼器，可實現一種編、解碼都簡單的視頻編碼框架。同時，針對在轉碼過程中需要對重建的視頻幀進行HEVC重編碼，提出利用分布式視頻的關鍵幀解碼生成WZ幀的編碼單元四叉樹劃分，以降低分布式視頻編碼到HEVC轉碼的復雜度。實驗結果表明，該轉碼方案與級聯轉碼方案相比，在幾乎不降低視頻質量的前提下，極大地降低了轉碼計算復雜度和時間，提高了轉碼效率。

關鍵詞 小波域；轉碼；分布式視頻編碼；HEVC

DOI DOI： 10.11907/rjdk.162729

中圖分類號： TP301

文獻標識碼： A 文章編號 文章編號： 16727800（2017）002000103

0 引言

伴隨著多媒體技術的日益完善與廣泛應用，數字視頻技術誕生了多種視頻編碼技術，例如H.26x系列、MPEG、JPEG2000和分布式視頻編碼（Distributed Video Coding，DVC）技術等。由于不同視頻編碼技術之間存在視頻幀率、視頻碼率和視頻分辨率等不兼容問題，極大地阻礙了多媒體視頻通信的普及與應用?？梢灶A見視頻轉碼技術在多媒體視頻通信時代擔任的角色將越來越重要。視頻轉碼技術是一種解決視頻編碼端與視頻解碼端不匹配問題的技術，通過視頻轉碼技術可以實現不同的視頻標準、視頻分辨率、視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉換。視頻轉碼器可以劃分為兩大類：同構轉碼器和異構轉碼器。同構轉碼器指在同樣編碼標準下的碼流轉換，可實現視頻分辨率、視頻幀率和視頻碼率相互轉換；而異構轉碼器是不同類別壓縮視頻流之間的轉換，如MPEG2到H.264、MPEG4到H.264和本文的分布視頻編碼到HEVC等。分布式視頻編碼是一種以SlePianWolf（1973）[1]的無損分布式編碼理論和WynerZiv（1976）[2]的有損分布式編碼理論為基礎的新型視頻編碼技術。分布式視頻編碼技術通過將系統中高復雜度的運動估計與運動補償從編碼端轉移到解碼端，實現了其編碼端簡單、解碼端復雜的特點。因此，分布式視頻編碼技術適用于編碼端計算能力受限、功耗受限和內存受限的應用場合，例如無線視頻監控和無人機航拍領域。

由于DVC具有編碼端復雜度低的特點，國內外學者對有效地將DVC技術與傳統視頻編碼標準結合起來的轉碼技術進行了深入研究。吳偉[3]介紹了分布式到H.264轉碼過程中復雜度高和時延長等問題，以及利用 DVC解碼端生成的運動矢量可降低轉碼的計算復雜度和時間，提高轉碼效率；孫思陽等[4]對分布式視頻編碼技術的理論基礎以及分布式視頻編碼過程中的關鍵技術進行了闡述，并詳細介紹了從DVC到H.264的轉碼技術中各個模塊的實現細節。隨著新一代視頻編碼標準的發布，HEVC的出現標志著視頻壓縮編碼技術進入了新時代。HEVC作為H.264標準的繼承者，與H.264相比，HEVC可以在同等的視頻質量下節省約50%的比特率[5]，但是HEVC以增加其編碼端復雜度的代價獲得高壓縮率。自從新一代視頻編碼標準發布后，國內外學者開始對其它視頻編碼轉碼到HEVC進行了研究。蔣煒等[6]提出了一種基于區域特征分析的H.264到HEVC快速視頻轉碼方法。以上參考文獻對DVC到H.264與H.264到HEVC的理論基礎以及關鍵技術進行了詳細闡述，但針對DVC到HEVC轉碼技術的相關研究仍然較少，因此本文提出基于小波域的分布式視頻編碼到HEVC快速轉碼技術研究。通過本文的視頻轉碼技術，可以充分利用分布式視頻編碼與HEVC的優點，實現編碼端與解碼端的低復雜度，并將分布式視頻編碼與HEVC高復雜度的運算轉移到轉碼服務器。

1 DVC到HEVC快速轉碼框架

分布式視頻是一種新興的視頻編碼技術， 它具有編碼端復雜度低、壓縮效率高和魯棒性高的優點。而HEVC是新一代的視頻編碼標準，它具有碼端復雜度極高、解碼端復雜度低、壓縮效率極高等特點。DVC到HEVC的轉碼技術可以充分利用分布式視頻編碼和HEVC的優勢，使DVC到HEVC的視頻轉碼具有編碼端與解碼端復雜度低、壓縮效率高的特點。

1.1 HEVC四叉樹劃分復雜度分析

HEVC采用基于遞歸調用的四叉樹劃分方式，提高了其圖像分塊的靈活度和壓縮性能[7]。然而，該劃分方式極大地增加了HEVC編碼端復雜度。在HEVC中，CU的劃分尺寸有64×64、32×32、16×16和8×8共4種。一個CTU的四叉樹劃分過程如下：首先計算尺寸為64×64的CU率失真代價以及其PU的最佳預測模式；再將64×64的CU劃分成4個尺寸為32×32的CU，并計算每個CU的率失真代價以及最佳預測模式；采用相同的劃分方式再將32×32的CU劃分為16×16和8×8的CU，并計算相應的率失真代價和PU最佳預測模式；最后，從8×8的CU到64×64的CU逐級往上比較其率失真代價，保留最小率失真代價的CU劃分模式。其詳細劃分過程如圖1所示。

在幀間編碼模式下，確定一個CTU遞歸劃分方式以及每個CU對應的PU預測模式需要計算的率失真代價次數高達680次，而對于分辨率為720P的視頻序列，一幅圖片需要計算的率失真代價高達6.364 8*104次。在HEVC編碼端，CTU的遞歸劃分方式的計算量占整個編碼端計算量的90%以上，其中CU64、CU32、CU16和CU8在CTU各層次劃分的時間開銷所占百分比分別為16%、23%、30%和31%[8]。因此，本文針對HEVC編碼算法中CTU四叉樹劃分高復雜度的特性，提出在轉碼過程中，充分利用分布式解碼的碼流信息來加速HEVC重編碼過程中CTU的四叉樹劃分，以提高轉碼器性能。

1.2 基于幀間預測的DVC-HEVC轉碼

由于在HEVC視頻編碼中，I幀和P幀的CU劃分都是采用遞歸調用的四叉樹劃分方式，根據幀間相關性，同一圖像組內的I幀與P幀的CU劃分模式存在相似之處，不同之處在于其PU的劃分方式。當QP分別為18、22、26時，本文對BasketballDrill與BQMall兩種視頻序列，分別在幀內編碼和幀間編碼編碼模式下，對其CU的劃分深度進行統計分析。首先提取幀內與幀間編碼后的CU劃分方式，再將100幀圖像中所有的CU分割為4×4的塊，然后對100幀中每個塊對應的幀內與幀間的CU劃分深度進行統計，統計結果如表1所示。表1的實驗數據說明，幀內CU劃分深度大于等于幀間CU劃分深度的比例高達90%以上，而分布式視頻編碼的關鍵幀可以采用HEVC幀內編碼方式。因此，本文基于分布式視頻編碼的特點以及視頻序列的幀間相關性提出了小波域分布式視頻編碼到HEVC快速轉碼的系統，其轉碼框圖如圖2所示。

如圖2所示，在分布式視頻編碼端，由視頻分類器將視頻序列按一定間隔，交替劃分為關鍵幀（K幀）和Wyner-Ziv幀（WZ幀）。其中關鍵幀K幀采用HEVC幀內編碼方式生成HEVC關鍵幀碼流，再將關鍵幀碼流傳輸到轉碼器。WZ幀采用Wyner-Ziv編碼模式[910]生成WZ幀碼流，再將WZ幀碼流經反饋信道傳輸到轉碼器。

在轉碼器接收到WZ幀碼流和HEVC關鍵幀碼流之后，首先將HEVC關鍵幀進行幀內解碼，并在解碼的同時提取關鍵幀的CU劃分方式；將HEVC解碼器解碼重建的視頻圖像經小波變換、運動估計和運動補償后生成WZ幀的邊信息，將邊信息經過信道譯碼后，進行反量化和離散小波逆變換，重建WZ幀[11]；然后用DVC中關鍵幀CU劃分方式對重建WZ進行CU的劃分，并判斷當前CU的預測單元PU的最佳預測模式，將WZ幀的CU劃分深度以及PU預測模式輸入到HEVC編碼器中；由于HEVC編碼器已經得到當前WZ幀的CU劃分深度以及其PU預測模式，HEVC編碼器可以快速地進行HEVC視頻編碼并產生HEVC碼流。

2 實驗結果與分析

實驗以BasketballDrill、BQMall視頻序列為例，驗證提出的小波域分布視頻編碼到HEVC快速轉碼的有效性。本次實驗將本文提出的小波域DVC到HEVC快速轉碼與小波域DVC到HEVC級聯轉碼的轉碼性能進行對比。實驗視頻序列的視頻格式為420P，測試幀數為100幀，幀率為30Hz，量化步長分別為18、22、26。為了測試本文提出的小波域分布式視頻編碼到HEVC轉碼的性能，本文分別對轉碼時間比和峰值信噪比進行數據統計，其結果分別如表2、表3所示。

式（1）中，ΔPSNR表示本文轉碼方案與級聯轉碼方案在轉碼后視頻的峰值信噪比對比情況，ΔPSNR越小，表明按本文方案對視頻轉碼后，視頻質量越差。式（2）中T表示DVC到HEVC轉碼需要的時間，ΔT表示本文轉碼方案在級聯轉碼方案節省的時間占整個級聯轉碼所需時間的百分比，負百分比的絕對值越大，表明本文提出的轉碼方案節省時間越多。

表2表示本文小波域分布式視頻到HEVC的快速轉碼方案與小波域分布式視頻編碼到HEVC級聯轉碼的轉碼時間對比情況。對于BasketballDril序列，當Qp值分別為18、22、26時，其△T分別為-40.61%、-41.15%、-56.75%；對于BQMall序列，當Qp值分別為18、22、26時，其分別為-66.15%、-68.14%、-68.55%。結果表明，本文提出的小波域DVC到HEVC的分布式轉碼算法和級聯轉碼算法相比，本文提出的轉碼算法極大地降低了轉碼時間。

表3表示本文小波域分布式視頻到HEVC的快速轉碼方案與小波域分布式視頻編碼到HEVC級聯轉碼峰值信噪比的對比情況。對于BasketballDril序列，當Qp值分別為18、22、26時，其△PSNR分別為-0.05dB、-0.07dB、-0.07dB；對于BQMall序列，當Qp值分別為18、22、26時，其△PSNR分別為-0.17dB、-0.05dB、-0.04dB。本文提出的快速轉碼方案與級聯轉碼相比，本文方案的峰值信噪比平均下降了0.075dB。實驗結果表明，本文提出的小波域DVC到HEVC的快速轉碼算法幾乎不降低視頻質量。

3 結語

分布式視頻編碼是一種編碼端簡單、解碼端復雜的新型視頻編碼技術，而HEVC則是一種編碼端復雜、解碼端簡單的新一代視頻編碼技術。通過DVC到HEVC的轉碼器把復雜度最高的計算轉移到轉碼器，可以實現一種編碼端與解碼端都簡單的視頻編碼技術。本文針對HEVC視頻碼中，CU的遞歸劃分方式占整個編碼端計算量的90%以上，提出利用分布式視頻編碼中關鍵幀的CU信息，在轉碼器中對WZ幀進行四叉樹劃分，并生成相應CU的預測模式，從而避免了CU基于四叉樹的遞歸劃分，極大地降低了轉碼器復雜度。本文從轉碼時間和轉碼后的峰值信噪比方面對本文的小波域DVC到HEVC快速轉碼和小波域DVC到HEVC的級聯轉碼進行了對比。實驗結果證明，本文提出的快速轉碼方案在幾乎不降低轉碼后視頻質量的前提下，能平均降低約56.89%的轉碼時間。

參考文獻 參考文獻：

[1] SLEPIAN，DAVID，J K WOLF.Noiseless coding of correlated information sources[J].IEEE Transactions on Information Theory ，1973，19（4）：471480.

[2] WOLFFOWITZ J.The rate distortion function for source coding with side information at the decoder.II[J].Probability Theory & Related Fields，1978，50（3）：245255.

[3] 吳偉，卿粼波，王正勇，等.DVC轉碼技術研究[J].電視技術，2015（19）：7177.

[4] 孫思陽.DVC分布式視頻編碼到H.264的轉碼實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[5] WANG J，ZHOU L，SUN T.Analysis of HEVC coding standard[J].International Journal of Hybrid Information Technology，2015：116.

[6] 蔣煒.H.264到HEVC視頻轉碼技術研究[D].杭州：浙江大學，2013.