[论文解读] Optimization of the Block-level Bit Allocation in Perceptual Video Coding based on MINMAX

Chao Wang, Xuanqin Mou+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2015

Video Coding and Compression Technologies参考文献 38被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于MINMAX准则的宏块级比特分配方法，用于感知视频编码，以最小化帧内各宏块之间的质量波动。通过迭代优化量化参数的极大失真下降（MDD）算法，并采用SSIM指标衡量感知失真，该方法在基准序列上实现了显著的比特节省，并提升了视觉质量，同时保持了可接受的计算复杂度。

ABSTRACT

In video coding, it is expected that the encoder could adaptively select the encoding parameters (e.g., quantization parameter) to optimize the bit allocation to different sources under the given constraint. However, in hybrid video coding, the dependency between sources brings high complexity for the bit allocation optimization, especially in the block-level, and existing optimization methods mostly focus on frame-level bit allocation. In this paper, we propose a macroblock (MB) level bit allocation method based on the minimum maximum (MINMAX) criterion, which has acceptable encoding complexity for offline applications. An iterative-based algorithm, namely maximum distortion descend (MDD), is developed to reduce quality fluctuation among MBs within a frame, where the Structure SIMilarity (SSIM) index is used to measure the perceptual distortion of MBs. Our extensive experimental results on benchmark video sequences show that the proposed method can greatly enhance the encoding performance in terms of both bits saving and perceptual quality improvement.

研究动机与目标

• 为解决因视频编码单元之间相互依赖而导致的宏块级比特分配复杂度高的问题。
• 减少视频编码过程中帧内宏块之间的感知质量波动。
• 开发一种低复杂度、离线优化的比特分配策略，适用于感知视频编码。
• 通过在宏块级别平衡比特率与感知质量，提升整体编码效率。
• 将现有的帧级比特分配方法扩展至更细粒度的宏块级别，同时保持感知保真度。

提出的方法

• 该方法采用MINMAX准则，以最小化帧内所有宏块中的最大失真。
• 使用一种称为极大失真下降（MDD）的迭代算法，调整各宏块的量化参数，以降低峰值失真。
• 采用结构相似性（SSIM）指数作为感知失真度量，评估宏块质量。
• 在宏块级别而非帧级别进行比特分配优化，从而实现对质量分布的更精细控制。
• 优化过程设计为在离线视频编码应用中计算可行。
• 该方法动态重新分配宏块间的比特数，以最小化最差情况下的感知失真，同时遵守总比特预算约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化宏块级比特分配，以最小化视频编码中宏块间的感知质量波动？
• RQ2 在宏块级别使用MINMAX准则对感知视频质量与比特率效率有何影响？
• RQ3 迭代优化算法是否能在保持低计算复杂度的同时减少质量波动？
• RQ4 与传统度量相比，使用SSIM作为感知失真度量在宏块级比特分配中的表现如何？
• RQ5 采用此宏块级方法可在不牺牲感知质量的前提下实现多大程度的比特节省？

主要发现

• 所提方法通过最小化帧内最大SSIM失真，显著降低了宏块间的质量波动。
• 在基准视频序列上的大量实验表明，该方法在保持或提升感知质量的同时实现了显著的比特节省。
• 实验结果表明，与传统的帧级比特分配技术相比，该方法在SSIM指标和主观评价中均表现出更优的感知质量。
• 编码复杂度保持在离线应用可接受的范围内，使该方法在高质量视频编码中具有实际可行性。
• MDD算法能有效收敛至接近最优的比特分配解，且失真波动极小。
• 结果表明，宏块级优化可使整个视频帧的视觉质量更加一致。