視訊編碼與傳輸的最佳化與影質控制

Abstract

本論文的主要宗旨在於理論探討視訊編碼的影質控制，並以實際的編 碼器模擬軟體來驗證。全文含四個子題，第一部份我們從基本的一維率-- 失真理論推展到視訊編碼的率--失真關係。第二、三部份分別對時間域和 空間域頻寬分配進行分析，第四部份則同時運用時間域和空間域的頻寬分 配特性來進行多視訊編碼共用傳輸的影質控制。本論文第一部份我們提出 一個大多數區塊轉換視訊編碼都適用的編碼模型。此模型定出位元率、誤 差和量化器步階間的關係。我們由率--失真的理論推導這個模型，然後再 用測試影像來確認並調整模型參數。它的最大特點是使用簡單，除了原編 碼器必要的轉換編碼運算之外，只需很少的額外計算。利用此模型，在特 定的誤差範圍內我們可預估經編碼器編碼後所需的位元率。在此部份有兩 個主要貢獻: 其一是我們推展既有的率--失真理論到實際的視訊編碼器上 ；其二是此模型的可調參數將真實影像和實際編碼器的非理想特性包含在 內。此模型若應用在CCITT Px64k bps 編碼中的緩衝器量化階距控制上， 則可機動控制畫框數目以確保每一編碼影像之畫框品質一致。 第二部份我們將所推導的編碼器源模型做進一步的探討，並因此發展出可 配合常用視訊編碼器的可變框率編碼法。我們檢視CCITT P(64k bps 編 /解碼器中緩衝器控制模式，推導出緩衝器在無上溢或下溢的情況下編碼 下一畫框所可使用的位元率範圍。此編碼法可根據影像編碼難易程度，如 影像內容複雜度和景緻運動快慢等，而適當的調整畫框率以確保每一畫框 之編碼品質一致。模擬結果顯示此模型使用簡單且效率甚高。我們亦將此 法與H.263之TMN5的可變框率編碼法及H.261之RM8 畫框率固定的編碼結果 相互比較。模擬結果顯示我們的方法在控制畫框品質一致上有較好的成效 。 第三部份我們探討在異步傳送網路 (ATM)上的最佳編碼法。在此我 們將獨立 (如motion JPEG) 和相依 (H.26x和MPEGx) 編碼方式都考慮在 內。相依編碼的失真--率關係因具樹狀結構，所以運算複雜度比獨立編碼 來得高。在獨立編碼方面，我們提出一使用多個拉格蘭乘數來尋求符合緩 衝器和通道傳輸的最佳位元分配。此法用於定速率傳輸上，在率--失真的 凸狀殼(convex-hull) 解上是最佳。用於變速率傳輸則為次佳解。在相依 編碼方面，我們使用具限制的樹狀結構來尋求最佳位元分配。此法對於定 速率和變速率傳輸而言都是最佳。模擬結果顯示我們的方法在控制編碼影 質上的優越性。我們亦比較定速率和變速率傳輸在編碼影質和其它傳輸特 性上的異同。 第四部份我們探討多視訊編碼器共用一定速率通道時的 之頻寬分配與量化控制。首先，我們考慮所有視訊源皆以一定框率傳輸的 情況。我們考慮靜態和動態頻寬分配並比較其特性。模擬結果顯示最佳動 態頻寬分配可較使用最佳量化控制之靜態頻寬分配有更高之峰信雜比( PSNR)。然而，在此多編碼器共用傳輸的環境之下，會有編碼器間相互影 響及當訊號源數目過大，以致不能在框率守恆的條件下維持一貫而高品質 的編碼時。我們提出以可變框率編碼為輔的多視訊共用傳輸編碼法。當編 碼器數目稍有增減時，此法可以確保每一編碼影像最低影質並維持穩定的 空間域編碼影質。模擬結果顯示在不同編碼器數目之下，接收端之編後影 質保持相當穩定。