高效可伸缩视频的编码、分析和调度研究

In the research of NSFC project under contract No.60902004, we have thoroughly analyzed the rate-distortion properties of the dead-zone plus uniform threshold scalar quantizers with nearly-uniform reconstruction quantizers (DZ+UTSQ/NURQ) for generalized Gaussian distribution, and we have developed fast rate-distortion optimization scheme for the latest scalable video coding standard H.264/SVC. On this basis, a priority scheduling algorithm has been proposed for SVC, together with the special scalable video transmission strategy, which has achieved high quality scalable video service for single user. During this research, we have published two papers in the top international Transaction on Circuits and Video Technology. Also, we have submitted two papers to the top international Transaction on Image Processing and received considerable evaluations from the reviewers. Meanwhile, seven papers of our work have been accepted by the major international conferences in video coding field such as DCC, VCIP, ISCAS, ICME and ICIP. In addition, we have already applied ten patents of related video coding technologies. Based on the achievements in the research of NSFC project under contract No.60902004, the future research plan will start from the further study of the fundamental source coding theory. First, we will systematically analyze the rate-distortion property of DZ+UTSQ/NURQ for generalized Cauchy distribution, and the related results will be used to obtain the optimum multi-level quantizer design for scalable video coding. Then, we will develop the high efficient scalable video coding framework for the next generation video coding standards (HEVC, the international standard and AVS2, the standard owned by China), with the purpose to greatly improve the performance of scalable video coding. In the end, guided by the proposed source model and high efficient scalable video coding framework, we will provide high quality scalable video services for multi-users in different application situations.

在青年基金项目的研究中，申请人深入分析了广义高斯分布的基础信源率失真规律，设计了SVC的快速率失真优化框架，建立了基于包的精确率失真模型，并在此基础上提出了SVC的优先级调度算法，结合无线信道传输保护策略实现了单用户的高质量可伸缩视频服务。本项目于顶级期刊TCSVT上发表文章2篇，投稿顶级期刊TIP文章2篇，一审评委评价很高，正二审中，另有7篇文章被主流国际会议所接收，申请专利10项。围绕青年科学基金的研究进展，下一步的工作将以基础信源理论的进一步研究为起点，首先进行广义柯西分布在通用量化模式下的率失真分析，并将基础信源理论成果应用于求解可伸缩编码的最优分级量化问题；然后面向下一代视频编码标准（国际标准HEVC以及我国自主标准AVS2）设计高效的可伸缩编码框架和算法，提高可伸缩视频的编码效率；最后在信源模型和最新可伸缩框架研究的基础上，根据不同应用场景为多用户提供高质量的可伸缩视频服务。

本项目对高效可伸缩视频编码、分析和调度等重要问题做了系统和深入的研究，取得了丰硕的科研成果。项目期间共发表期刊和会议论文18篇，其中3篇发表在TCSVT、TMM等国际顶级期刊上；申请专利12项，授权专利7项。所完成的研究和取得的成果主要体现在四个方面：可伸缩视频编码理论分析研究，HEVC编解码器的并行优化及加速研究，可伸缩视频传输的研究，可伸缩标准研究。. 在可伸缩视频编码理论分析研究中，课题组在此前取得的基础信源理论分析的研究成果的基础上，对通用信源的率失真分析进行了研究。针对实际信源到底属于哪种分布的分歧，课题组的研究基于现目前主要的量化技术，通过理论推导和实验模拟揭示了无论什么形式的信源分布都服从的共同规律。课题组所得出的结论能够减少对实际信源进行率失真建模的复杂性，并能有效指导实际量化器设计的参数选择。. 为了应对HEVC标准带来的计算复杂度的显著提升，课题组提出了一整套HEVC编解码并行优化和加速的方案。在编码方面，课题组主要采用一种帧间wavefront并行编码算法显著提升了并行度，并提出了一套三级线程管理方法来保证具体实现中的编码加速比。在解码方面，课题组优化了数据结构来降低基本数据操作的开销，并采用了基于SIMD（单指令多数据）的数据级并行算法以及基于帧的任务级并行解码基本框架。这一整套并行优化和加速的方案使得课题组研发的HEVC编解码器的计算效率得到极大的提升，并在业界保持领先。此外，课题组还提出了HEVC下采样转码加速算法，显著节省了转码时间。. 在可伸缩视频传输的研究方面，课题组的成果丰硕。课题组提出高效码流截取方案，在给定码率限制下取得最好的视频质量。课题组引入了PID控制机制，使得可伸缩视频信源发送端能够根据网络状况的反馈实现对视频层的调度。课题组优化了MPEG-DASH中的码率自适应算法，参考了缓冲区变化率来选择目标码率，相比经典方法实现了平滑度的显著提升。此外，课题组研究了目前热门的移动视频直播，基于多缓冲模型使用PID控制器实现了发送端码率自适应，提高了带宽利用率和直播流畅度。. 在可伸缩视频标准方面，项目负责人担任了国家视频编码标准AVS的可伸缩视频专题组的组长，带领研究团队向AVS标准化组织提交了20份有效提案，并研发了AVS2的解码器，获得2015年度AVS产业技术创新奖，并与CNTV开展合作。