Способ кодирования и декодирования видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости
METHOD OF ENCODING AND DECODING VIDEO INFORMATION OF REDUCED, STANDARD AND HIGH DEFINITION

Изобретение относится к технологиям радиосвязи и предназначено для повышения эффективности компрессии при кодировании видеосигналов в рамках стандарта H.265/HEVC
Известны способы эффективного кодирования/декодирования видеоизображений, в рамках стандарта H.265/HEVC, позволяющие сократить объемы передаваемой информации.
Так в [пат. RU №2509435, МПК H04N 7/24, опубл. 10.01.2014] предлагается способ кодирования и декодирования видеосигналов, техническим результатом которого является повышение эффективности кодирования изображений с высоким разрешением за счет определения глубины блока кодирования и рабочего режима средства кодирования, в соответствии с характеристиками данных изображения. Указанный способ заключается в разделении видеоданных текущего видеокадра на максимальные блоки кодирования, определении кодированной глубины для каждого блока, вывод результата кодирования посредством дополнительного кодирования разделенной области максимального блока кодирования в соответствии с рабочим режимом инструментального средства кодирования, вывод битового потока, содержащего кодированные видеоданные глубины.
Недостатками данного способа являются недостаточное сокращение объема передаваемой информации, низкая эффективность взаимной корреляции между цветовыми каналами, которая предусматривает цветовое преобразование каналов и получение четырех полноразмерных расширенных матриц, что усложняет технологичность процесса.
В [пат. RU №2514091, МПК H04N 19/91, опубл. 27.04.2014] предлагается способ кодирования и декодирования видеосигналов, технический результат которого заключается в повышении эффективности кодирования и декодирования битового потока видеоинформации за счет разделения кадра на слои, к которым применяются независимые приемы энтропийного кодирования. Разделение на энтропийные слои произвольно. При декодировании энтропийные слои декодируются независимо. Недостаткам способа является неоднозначность декодированного сигнала, возникающая при различном подходе к разделению информации на слои.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в [пат. US №2014269934, МПК H04N 19/39, опубл. 18.09.2014], в котором для кодирования и декодирования видеопотока используется многоядерный процессор, рассматривающий при обработке поступающий видеопоток как макроконструкцию. На первом этапе информация принимается и преобразуется. На втором этапе преобразованная информация разводится по разным процессорам, и дальнейшая обработка осуществляется путем параллельного вычисления. Такая многослойная обработка позволяет на каждом процессоре использовать индивидуальный способ обработки и соответственно использовать индивидуальные функции кодирования и декодирования. На основе обработки ряда последовательных байтов потока данных выбирается функция кодирования и принимается макроблочная структура разбиения кадра для последующей обработки. Первый кадр видеопоследовательности кодируется с использованием только внутрикадрового предсказания. Для всех остальных кадров последовательности и между точками произвольного доступа при кодировании большинства блоков используются различные режимы межкадрового кодирования с временным предсказанием.
Недостатком указанного способа является низкое быстродействие, так как возникает необходимость многократной обработки данных, что не позволяет его использовать в режиме реального времени.
Технической задачей способа является повышение эффективности компрессии при сохранении повышенной устойчивости к потерям данных, получение удобной интеграции в транспортные сети и системы.
Технический результат способа заключается в повышении быстродействия и точности цифрового кодирования и декодирования видеоинформации по стандарту H.265/HEVC, использующего оптимальный и субоптимальный выбор параметров различных режимов кодирования.
Это достигается тем, что известный способ кодирования и декодирования видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости заключается в поэтапной обработке поступающей информации, на первом этапе информацию принимают и преобразуют, на втором этапе преобразованную информацию разводят по разным процессорам и дальнейшую обработку осуществляют путем параллельного вычисления, на каждом процессоре используют индивидуальные функции кодирования и декодирования, разбивают информацию на блоки и затем кодируют одновременно группы элементов, перед кодированием осуществляют преобразование видеоинформации путем оптимального и субоптимального выбора параметров различных режимов видеокодирования в рамках стандарта H.265/HEVC, причем одновременно подвергают оптимизации параметры квантования, внутрикадрового кодирования, межкадрового кодирования, параметры анализа движения и статистического кодирования, а также при обработке видеоинформации и кодировании используют варьируемые режимы кодирования с пространственным предсказанием и режим группового кодирования, при этом выбор параметров межкадрового кодирования устанавливают динамично, разбиение на блоки проводят, используя динамичные контекстные структуры, выбранные из набора доступных моделей, зависящих от статистики ранее закодированных символов, в видеопотоке проводят сжатие значений параметров по разности информации между соседними кадрами, используя динамические окна оценки движения и параметр компенсации движения, позволяющий проводить кодирование с дробным шагом.
Результатом способа также является возможность дополнительного снижения кадровой скорости и/или разрешения кадров на время быстрого изменения содержания сцены, что позволяет реализовывать дополнительную предварительную фильтрацию при декодировании в зависимости от уровня шумов в изображении.
Способ кодирования и декодирования видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости реализуется следующим образом.
На первом этапе проводят покадровый прием видеоинформации в виде последовательного цифрового потока, определяют параметры потока и выбирают режимы видеокодирования в рамках стандарта H.265/HEVC, при этом проводят оптимизацию и субоптимальный выбор параметров видеокодирования, что достигается динамическим варьированием параметров:
1) квантования,
2) внутрикадрового кодирования,
3) межкадрового кодирования,
4) анализа межкадрового движения,
5) статистического кодирования.
Далее последовательный цифровой поток преобразуют в соответствии с оптимизированными параметрами.
На втором этапе проводят кодирование видеоинформации с оптимизированными параметрами:
- используют режимы кодирования с пространственным предсказанием и групповым кодированием;
- при групповом кодировании видеоизображения используют методики разбиения информации на блоки с последующим кодированием одновременно группы элементов, для ограничения снижения качества восстанавливаемого изображения. Рассматривают различные комбинации макроблочной структуры - 16×16, 32×32;
- дополнительно вводят параметр кодера длины группы кадров (GOP), значение которого при выборе параметров межкадрового кодирования устанавливают динамично, что позволяет проводить анализ и компенсацию движения в видеопотоке;
- кодирование проводят методами адаптивного двоичного арифметического кодирования с применением контекстных моделей, обеспечивающих высокую эффективность кодирования разных синтаксических элементов с различными статистическими свойствами. Контекстную модель выбирают из набора доступных моделей, зависящих от статистики недавно закодированных (предыдущих) символов.
- далее решают задачу уменьшения избыточности информации в видеопотоке, для этого используют оригинальный подход, учитывающий проведение операций сжатия значений по разности между соседними кадрами и динамические окна оценки движения;
- при этом используют два размера для окон оценки движения - 64×64 и 128×128 и для компенсации движения вводят дополнительный параметр межкадрового кодирования, позволяющий проводить кодирование с дробным шагом.
В таблице приведен перечень настраиваемых параметров внутрикадрового и межкадрового кодирования, анализа движения, квантования и статистического кодирования.
Особенности способа кодирования/декодирования состоят в том, что:
- выбор режимов кодирования и кодирование видеоинформации предваряется оптимизацией и субоптимальным выбором параметров видеокодирования, что предполагает динамическое варьирование параметров;
- кодирование преобразованной и оптимизированной видеоинформации проводят с использованием адаптивных методов и режимов кодирования с пространственным предсказанием и групповым кодированием;
- выбор параметров межкадрового кодирования устанавливают динамично, что позволяет проводить анализ и компенсацию движения в видеопотоке;
- при групповом кодировании видеоизображения проводят разбиение информации на блоки и кодирование блоков осуществляют с применением контекстных моделей, обеспечивающих высокую эффективность кодирования разных синтаксических элементов с различными статистическими свойствами;
- кодирование и преобразования проводят с использованием архитектуры параллельной обработки;
- уменьшение избыточности информации в видеопотоке проводят, используя операции сжатия значений по разности информации между соседними кадрами, использующей динамические окна оценки движения и параметр компенсации движения с возможностью дробного кодирования шага - в половину и в четверть пикселя;
- декодированные изображения подвергают дополнительной постобработке
с использованием адаптивной фильтрации и нелинейного преобразования, предназначенного для частичной компенсации потерь, обусловленных квантованием спектральных коэффициентов;
Сущность изобретения поясняется характеристиками макетов кодера и декодера, созданных на основе разработанного способа кодирования видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости по стандарту H.265/HEVC.
Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели макетов кодера и декодера:
- диапазон битовых скоростей - от 256 до 8192 кбит/с;
- кадровая скорость - 25 кадров/с;
- пиковое отношение сигнал/шум (PSNR) восстановленных изображений - не ниже 38 дБ при скорости выходного битового потока для видеоформата 352×288 - не более 0,5 Мбит/с, для видеоформата 704×576 - не более 1,5 Мбит/с, для видеоформата 1280×720 - не более 3 Мбит/с, для видеоформата 1920×1080 - не более 5,5 Мбит/с.
Макет кодера видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости по стандарту H.265/HEVC предназначен для сжатия цифрового потока видеоинформации и обеспечивает следующие технические характеристики:
- стандарт кодирования - ITU-T Recommendation H.265/ISO/IEC 23008-2 MPEG-H HEVC;
- диапазон битовых скоростей - от 256 до 8192 кбит/с;
- разрешение видео - от 352x288 до 1920×1080 пикселов;
- кадровая скорость - 25 кадров/с;
- скорость выходного битового потока кодированных тестовых видеопоследовательностей при пиковом отношении сигнал/шум (PSNR) восстановленных изображений не ниже 38 дБ должна быть:
- для видеоформата 352×288 - не более 0,5 Мбит/с;
- для видеоформата 704×576 - не более 1,5 Мбит/с;
- для видеоформата 1280×720 - не более 3 Мбит/с;
- для видеоформата 1920×1080 - не более 5,5 Мбит/с;
- кодирование в реальном времени;
- выходной интерфейс - Ethernet.
Макет декодера предназначен для декодирования цифрового потока видеоинформации, закодированной по стандарту H.265/HEVC, и обеспечивает следующие технические характеристики:
- стандарт входного потока - ITU-T Recommendation
H.265/IS(MEC 23008-2 MPEG-H HEVC;
- диапазон битовых скоростей входного потока - от 256 до 8192 кбит/с;
- разрешение декодированного видео - от 352×288 до 1920×1080 пикселов;
- кадровая скорость декодированного видео - 25 кадров/с;
- декодирование двух битовых потоков одновременно в реальном времени;
- входной интерфейс - Ethernet.
Способ кодирования/декодирования видеоинформации пониженной, стандартной и высокой четкости апробирован на разработанных макетах кодера и декодера, которые прошли успешные испытания, подтвердившие на практике технико-эксплуатационные показатели.
Разработанный способ и испытанные в составе макетов кодера и декодера алгоритмы оптимального и субоптимального выбора параметров различных режимов видеокодирования в рамках стандарта H.265/HEVC предназначен для использования при разработке и изготовлении экспериментальных образцов устройств кодирования видеоинформации для систем передачи мультимедийной информации реального времени при сохранении приемлемого качества воспроизведения информации.