Введение 4
1 Основные определения, обозначения и сокращения 7
2 Описание метода 8
2.1 Общая схема работы H.265/HEVC 8
2.2 Понятие синтаксических элементов и их описание 10
3 Предлагаемый быстрый алгоритм 19
4 Экспериментальная часть 23
4.1 Моделирование алгоритма 23
4.2 Описание работы устройства 24
4.3 Синтез предложенного алгоритма 25
Заключение 28
Список использованных источников 30
Принятие в 2013 году нового стандарта видеокодирования H.265/HEVC обеспечило существенное повышение степени сжатия видеоданных по сравнению с предыдущими стандартами. Основной целью нового стандарта было эффективное сжатие видеоформатов сверх высокой четкости UHD 4K и 8K. Главной особенностью нового формата, обеспечивающей наилучшее сжатие видеофайлов большого разрешения, является адаптивное разбиение видеокадра на блоки кодирования и затем поблочную обработку, которая устраняет пространственную или временную избыточность информации. При пространственной обработке используется предсказание значений пикселей изображения в текущем блоке по значениям пикселей соседних блоков. При устранении временной избыточности для предсказания используются участки изображений с ранее закодированных кадров. В ходе обработки видеопоследовательности формируется остаточный сигнал, определяемый как разность между кодируемым и предсказанным изображениями каждого блока, который затем подвергается двумерному дискретному спектральному преобразованию. Полученные спектральные коэффициенты квантуются по уровню. На заключительном этапе кодирования последовательность значений квантованных спектральных коэффициентов, сопровождаемая информацией о предсказании, спектральном преобразовании и квантовании, подвергается энтропийному кодированию.
Для того что бы оценить эффективность того или иного варианта кодирования, используется метрика RDC, которая расшифровывается как Rate Distortion Cost. Выбор наилучшего варианта кодирования блока, обуславливается выбором наименьшего значения величины RDC, а сам процесс выбора называется RDO(Rate Distortion Optimization).
Величина RDC описывается следующим выражением:
RDC = D + A-R
,
где 11 ’1 ’ 1, 1 •} - значения отсчетов изображения кодируемого блока,
Л,
1,1 - значения декодированнных отсчетов,
R - количество бит, представляющих кодируемый блок в битовом потоке на выходе энтропийного кодера,
A - множитель Лагранжа.
Таким образом, величина RDC определяется степенью сжатия кодируемого блока R. Основные затраты при вычислении значения RDC обусловлены использованием энтропийного кодера для подсчета бит, представляющих кодируемый блок изображения в битовом потоке на выходе кодирующей системы.
Введение в новом стандарте широкого набора новых методов и алгоритмов видеообработки обеспечивает существенную степень сжатия видеопоследовательностей сверхвысокой четкости, но это так же приводит к перебору огромного числа вариантов кодирования каждого блока видеоизображения, а значит, увеличивается объем вычислений, необходимый для кодирования. Этот факт делает актуальным исследования, направленные на снижение вычислительных затрат, необходимых для оценки значения метрики RDC.
При выполнении ВКР были получены следующие основные результаты:
1. На основе анализа методов и алгоритмов сжатия цифровых видеоданных стандарта H.265/HEVC выявлена одна из наиболее затратных, в вычислительном отношении, процедур, обязательно используемая при кодировании. Это процедура оценки степени сжатия видеоданных. Эта оценка используется в кодирующей системе при выборе того или иного варианта кодирования в качестве численного критерия.
2. Разработан оригинальный метод быстрой приближенной оценки степени сжатия видеоданных в кодирующей системе стандарта HEVC. Алгоритмическую реализацию предложенного метода удалось свести к выборке из таблиц заранее рассчитанных значений. Апробация предложенного алгоритма при кодировании реальных видеопоследовательностей показала сокращение вычислительных затрат при кодировании в среднем на 23%.
3. Проведена разработка цифрового специализированного устройства, реализующего предложенный алгоритм. Разработка и отладка устройства выполнены средствами программной среды MatLab/Simulink с последующей генерацией описания устройства на языке VHDL.
4. Выполнен синтез и функциональное моделирование устройства. Результаты синтеза и моделирования в среде автоматизированного проектирования цифровых устройств Xilinx ISE 12.4 подтвердили правильность функционирования разработанного цифрового устройства.
5. Проведена оценка быстродействия и ресурсоемкости
разработанного специализированного вычислительного блока.
Показано, что при имплементации блока в FPGA-микросхему, его производительность достаточна для обработки видеоданных высокого разрешения в реальном времени, а требуемые ресурсы составляют не более 2% от количества логических элементов, имеющихся в микросхеме типа Xilinx XC5VLX50.
Разработанный специализированный вычислительный блок может быть использован при создании высокопроизводительной кодирующей системы стандарта H.265/HEVC на базе микросхем FPGA-типа.
