Optimisation du contrôle de débit de H. 264/AVC basée sur une nouvelle modélisation Débit-Quantification et une allocation sélective de bits

par Miryem Hrarti

Thèse de doctorat en Informatique et applications

Soutenue en 2011

à Poitiers en cotutelle avec l'Université Mohammed V (Rabat) .


  • Résumé

    Cette thèse se focalise sur l'optimisation de l'algorithme du contrôle de débit du standard H. 264/AVC. Cet algorithme constitué de deux parties fondamentales : allocation de bits et détermination du paramètre de quantification (QP), ne présente pas les meilleures performances et loin d’être optimal. Ainsi, nous avons proposé de nouvelles techniques permettant de déterminer de manière plus appropriée le QP et d'allouer finement le budget de bits tout en intégrant des propriétés du système visuel humain. Pour une meilleure estimation du QP, deux modèles Débit-Quantification (R-Q) sont proposés. Le premier modèle conçu pour les trames Intra, est un modèle non-linéaire utilisé pour déterminer de manière optimale le QP initial en exploitant la relation entre le débit cible et la complexité des trames Intra. Le second modèle logarithmique, est conçu pour les unités de codage Inter. Outre ses performances, ce modèle se substitue aux deux modèles utilisés par le contrôleur de débit de H. 264/AVC, et offre ainsi une réduction de la complexité calculatoire. L'allocation de bits au niveau trame du profil de base de H. 264/AVC reste basique car elle alloue équitablement le nombre de bits aux unités Inter indépendamment de leur complexité. Pour une allocation plus fine, deux mesures de complexité sont exploitées. La première est un rapport de mouvement déterminé à partir de bits réels utilisés pour coder les trames précédentes. La seconde mesure exploite la différence entre trames adjacentes et l'histogramme de cette différence. Enfin, et pour mieux contrôler la qualité, une carte de saillance est intégrée au processus d'allocation de bits. Au niveau trame, elle est utilisée pour réajuster le QP et attribuer plus de bits aux trames contenant plus de régions saillantes qui sont plus importantes. Au niveau macrobloc, la carte de saillance est exploitée pour répartir efficacement le nombre de bits entre les macroblocs d'une même trame. Cette répartition par "région" d'intérêt permet d'améliorer la qualité visuelle de la trame. Les nombreuses simulations effectuées montrent que chacun des modèles proposés, quand il est comparé avec deux algorithmes (JM15. 0 et JVT-O016), apporte des améliorations qui sont significatives aussi bien au niveau du débit moyen que du PSNR moyen. Une qualité plus consistante et donc un lissage de qualité à travers les trames est également observé.

  • Titre traduit

    H. 264/AVC rate control optimization based on a new rate-quantization modelization and selective bits allocation


  • Résumé

    The explosion of multimedia applications is largely due to the efficiency of the compression techniques used. H. 264/AVC, also known as MPEG-4 Part 10 is the newest video coding standard. It is more effective than previous standards (MPEG1, MPEG2, part 4, H26x…) and achieves significant compression gains. As for other standards, the rate control is a key element of H. 264/AVC because it helps to regulate the visual quality of the reconstructed sequence while respecting the bandwidth constraints imposed by the channel transmission. In accordance with the specified target bit-rate, the rate control algorithm determines appropriately the quantization parameters. Basically, a first Rate-Quantization function elaborates a relationship between the rate and the quantization parameter (QP). A second function called Distortion-Quantization estimates the distortion (or quality) of the reconstructed video based on the used quantization parameter. These two functions lead together to a relationship (usually quadratic) between the quantization parameter, the target number of bits and the basic unit (Frame, Slice, macroblock or set of macroblocks) statistics. These functions have been the subject of several studies. The models that have been adopted and therefore recommended by the group standardization, do not generally offer better performances and they are far from optimal. This thesis is in this context. Its main objective is to develop and design new techniques to improve the performance of the rate control algorithm and those of the H. 264/AVC standard. These techniques are based on both a detailed analysis of the major current limitations and a wide literature review. Our purpose is to provide a more appropriate determination of the quantization parameter, a selective bit allocation that integrates Human Visual System properties and enhances the reconstructed video quality. To determine accurately the quantization parameter, two Rate-Quantization models (R-Q) have been proposed. The first model designed for Intra-Frames, is a non-linear one. It is used to determine the optimal initial quantization parameter, while exploiting the relationship between the target bit-rate and the complexity of Intra-Frames. The second model is a logarithmic one and it is designed for Inter coding units. It replaces the two models used by the H. 264/AVC rate controller and reduces the computational complexity. The frame layer bit allocation of the H. 264/AVC baseline profile remains basic. It assumes that GOPs (Groups Of Pictures) have similar characteristics and the target number of bits are fairly allocated to coding units regardless of their complexity. For a more accurate bit allocation, a new model has been proposed including two complexity measures. The first is a motion ratio determined from the actual bits used to encode the previous frames. The second measure uses the difference between adjacent frames and the histogram of this difference. Finally, to better control the visual quality of the reconstructed video, a saliency map is included into the bit allocation process. The saliency map generated by a bottom-up approach, simulates the human visual attention. It has been used to adjust the quantization parameter at frame layer. This adjustment allows the assignment of more bits to frames containing more salient regions (supposed to be more important than others). At macroblock layer, the saliency map is exploited to efficiently allocate the number of bits among the macroblocks of the same frame. This bit repartition by ''region'' of interest improves the visual quality of the frame. Experimental simulations show that the proposed models, when compared with two recent algorithms of rate control (JVT-O016 and JM15. 0), improve significantly the coding performances in terms of average bit-rates and PSNR. More consistent quality and therefore a quality smoothness through frames is also observed.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (172 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 108 réf.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Poitiers. Service commun de la documentation. Section Sciences, Techniques et Sport.
  • Non disponible pour le PEB
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.