CN108600756B - 基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法 - Google Patents

基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,进行编码参数初步评测,分析编码参数对性能和编码时间的影响,筛选出与编码性能和编码时间密切相关的编码参数。根据编码参数对编码时间和编码性能的影响,将参数分类。在给定的编码复杂度的范围下,在各种参数组合的配置之间随机选择并进行编码,当满足一定临界条件下则进行状态跳转,选择更优的参数组合替换当前的参数组合。本发明在不遍历全部编码参数组合的前提下,获取接近最优的编码参数配置。适用于编码器级别参数调整的优化,使用低复杂度配置的编码参数获取高复杂度编码参数的编码性能,或者在同一编码复杂度情况下获取更优的编码性能。

Description

基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法
技术领域
本发明涉及视频编码参数优化技术领域,具体是一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法。
背景技术
视频编码标准经过多年的发展,目前已经形成了比较成熟的基于块的混合编码框架。2013年开发的新一代视频编码标准高效视频编码(HEVC),相比前一代视频标准H.264/AVC实现了大约40%的比特率降低。诸如灵活的四叉树划分结构、高级运动矢量估计、样点自适应补偿等新技术有效提升了编码器的压缩性能,但是也导致复杂度的显着增加。因此,作为HEVC标准的参考软件,HM由于其复杂度过高,难以直接应用于实际应用中。
编码器有大量可配置的参数,譬如参考帧数目、搜索范围、编码块最大最小值等。通过编码参数的设定,可以获取不同的编码复杂度和编码性能。近年来,降低编码复杂度的研究工作围绕提前终止算法展开,包括通过有效的预测方案降低率失真优化复杂度、利用时空相邻的编码信息确定当前编码块深度等优化算法。目前广泛使用于实际场景的HEVC编码器--x265,也已经采用了许多诸如Earlyskip和I帧快速算法等快速模式决定算法。这些加速算法可以在编码性能损失很小的情况下,获取不错的编码加速比,其中很多有效的算法都集成进编码器,成为编码器一个可配置的参数。如何将新参数和原始编码参数结合,在最小编码性能损失的前提下达到最高的编码加速比是一个值得研究的问题。近几年提出了一些编码参数调整的方法,能够通过遍历所有参数组合的方式找到最优的编码参数组合。然而这些工作一方面比较针对具体的编码器,没有提出一个完整的编码参数调整架构,对其它的编码器没有普适性,另一方面需要遍历所有的参数,对于参数特别多的编码器会出现组合数过多的问题。因此需要一种新的编码参数优化方法,以一个完整的架构指导编码参数的优化,并且适用于各种编码器,包括编码参数组合过多,不能通过遍历所有组合得到最优解的编码器。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道,也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对目前现有技术中没有一套完整的编码参数优化方法的缺陷,提供了一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法。该方法提供了编码参数快速优化架构,优化编码初始参数,在指定的复杂度下获取更好的编码性能,或在同样的编码性能下获得较低的编码复杂度。
为了实现以上目的,本发明提供的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,包括:
S1,设计一个关于编码参数对编码性能和编码时间影响的评价指标RDTscore,所述评价指标RDTscore用于在改变一个编码参数时,反映该编码参数对编码性能和编码时间的影响;
S2,为评价指标RDTscore设置一阈值,并依据该阈值对各编码参数进行初步筛选;
S3,给定目标编码复杂度,在初步筛选出的编码参数组成的参数集中,根据蒙特卡洛法随机生成新编码参数组合,并执行S4;
S4,使用新编码参数组合进行编码,根据本轮优化目标,比较新编码参数组合与对应的原编码参数,判断新编码参数组合是否被接受,如果接受,则执行S5,如果不接受,则返回重新执行S3;
S5,对比目标编码复杂度与真实编码复杂度,当真实编码复杂度在目标编码复杂度范围内且评价指标RDTscore在阈值之上时,采用当前编码参数;当真实编码复杂度在目标编码复杂度范围外或者评价指标RDTscore在阈值之下时,返回重新执行S3。
优选地,所述S2中,对各编码参数进行初步筛选的过程为:基于某一组编码参数,逐个测试改变编码参数的结果并用评价指标RDTscore进行评价。
优选地,所述评价指标RDTscore,按照以下公式确定:
其中,TS代表修改编码参数带来的时间节省,BDBR代表修改编码参数带来的编码性能损失。
优选地,较高的RDTscore代表着同样编码性能损失下较高的加速比,或者,相同加速比下较低的编码性能损失。
优选地,所述S4中,判断新编码参数组合是否被接受的条件根据本轮优化目标确定;
按照以下公式确定:
若本轮优化目标为控制编码时间,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||≤Tt-Tr(Parambest)||;
若优化目标为控制编码时间,兼顾优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||>||Tt-Tr(Parambest)||且
RDTscore(Paramthis)>PDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE;
若优化目标为优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE;
其中,Tt为目标编码时间,Tr(Param)为使用参数Param进行编码的真实编码时间,Parambest为当前最优编码参数,Paramthis为生成的新编码参数组合,TE为可接受的编码时间误差。
本发明提供的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,提出了一套合理有效的编码参数预优化的框架,在编码之前根据编码的目标复杂度,进行编码参数的自适应,从而提供当前设定复杂度下最优的编码参数,使得编码器的性能更佳。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明在提供更快的编码速度和更好地编码性能的优点以外,还将编码器看作一个黑盒子,通过外部参数的调整实现编码器性能的改善,可以适用于不同编码器。另一方面,通过蒙特卡洛法马尔可夫链,该方法无需遍历所有编码参数的组合,即可获得优于默认编码参数的参数值,根据该参数值即可快速改善编码器的性能。这适用于编码参数过多,无法遍历全部参数组合的编码器。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应方法的流程图;
图2是本发明实施例中x265编码器默认配置参数性能对比。其中BDBR具体为Delta Bit Rate的值,用于评判编码器的压缩性能,Ultrafast、Superfast、Veryfast、Faster、Fast、Medium、Slow、Slower、Veryslow和Placebo分别为x265编码器的不同默认配置,图中右侧BasketballDrillText_832x480_50、BasketballDrill_832x480_50等分别为测试序列;
图3是本发明实施例中步骤S2过程参数初步筛选的流程图;
图4是本发明实施例中经过参数自适应方法优化的编码参数配置性能与x265默认配置性能的对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,包括如下步骤:
①设计一个关于编码性能和编码时间的评价指标RDTscore,所述评价指标RDTscore用于在改变一个编码参数时,反映该编码参数对编码器的影响。
②为评价指标RDTscore设置合适的阈值,并依据阈值对各编码参数进行初步筛选。筛选出的编码参数的改变会对编码时间和编码性能有比较大的影响。
③给定编码复杂度,在初步筛选出的编码参数组成的参数集中,根据蒙特卡洛法随机生成新编码参数组合。
④使用新编码参数组合进行编码,比较新生成的编码参数与原始的编码参数,根据本轮优化目标(控制编码时间以及优化编码性能),决定需不需要跳转到新生成的编码参数组合。
⑤对比目标编码复杂度与真实编码复杂度,反馈给步骤③,决定是否要重复③步骤。
所述①中,每个编码参数的关于编码性能和编码时间的评价指标RDTscore为在相对于最复杂编码配置下,使用该编码参数的节省时间TS和性能损失BDBR(BDBR具体为Delta Bit Rate的值)的比例。较高的RDTscore代表着同样RD性能(编码率失真性能)损失(即及说明书技术方案中所述的编码性能损失)下较高的加速比,或者相同加速比下较低的性能损失:
在本实施中:
编码参数的初步筛选过程为:基于某一组编码参数,逐个测试改变编码参数的结果并用评价指标RDTscore评价,所述③-⑤中的编码参数选择过程避免了所有编码参数组合的尝试,可以快速生成接近最优的编码参数,所述④中通过本轮优化目标,设置阈值,判断新生成的编码参数是否被接受。
评价编码参数改变带来的编码时间和编码性能影响的指标RDTscore,按照以下公式确定:
其中,TS代表修改该编码参数带来的节省时间,BDBR代表修改该编码参数带来的性能损失(具体地,为Delta Bit Rate的值),较高的RDTscore代表着同样编码率失真性能(RD性能)损失(即说明书技术方案中所述的编码性能损失)下较高的加速比,或者相同加速比下较低的性能损失。
判断新生成的编码参数是否被接受的条件根据本轮优化目标确定,按照以下公式确定:
若优化目标为控制编码时间,那么若满足以下条件,新编码参数被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||≤||Tt-Tr(Parambest)||
若优化目标为控制编码时间,兼顾优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||>||Tt-Tr(Parambest)||且
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE
若优化目标为优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数被接受:
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE
其中,Tt为目标编码时间,使用编码参数Param进行编码的真实编码时间为Tr(Param),当前最优编码参数为Parambest,生成的新编码参数组合为Paramthis,可接受的编码时间误差为TE。
本实施例针对目前没有一套完整的编码参数优化方法的缺陷,提供了一种给定目标编码时间区间内,编码参数可以在不遍历全部编码参数组合的前提下,获取接近最优的编码参数配置。该方法提供了编码参数快速优化架构,优化编码初始参数,适用于编码器级别参数调整的优化,使用低复杂度配置的编码参数获取高复杂度编码参数的编码性能,或者在同一编码复杂度情况下获取更优的编码性能。
下面结合具体应用实例,对本实施例的技术方案进一步详细描述。
本实施例提供了一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,具体设计思路如下:
①设计一个编码性能-编码时间评价指标RDTscore,这样在改变一个参数时,可以通过该指标反映该参数对编码器的影响。
②为评价指标RDTscore设置合适的阈值,并对依据阈值对各编码参数进行筛选。筛选出的编码参数的改变会对编码时间和编码性能有比较大的影响。
③给定的编码复杂度,在筛选出的参数集中,根据蒙特卡洛法随机新参数组合。
④使用新参数组合进行编码,比较生成参数与原始参数,根据本轮优化目标(控制编码时间/优化编码性能),决定需不需要跳转到新参数组合。
⑤对比目标编码复杂度与真实编码复杂度,反馈给步骤③,决定是否要重复③步骤。
其中,第①步到第②步是初步评估当前编码器并筛选编码参数的过程,选出对编码性能和编码时间影响较大的编码参数组成参数集以便后续使用。第③、④、⑤步是一个循环的过程,在给定的循环次数内,不断检测当前编码参数的编码时间是否满足预设值,满足则停止循环;若不满足,从参数集中生成新的编码参数,并使用新编码参数进行编码。以下具体应用实施将该方法应用到最广泛使用HEVC编码器-x265中,具体操作流程如图1所示。下面先介绍本具体应用实例中编码器分析与编码参数初步筛选过程,然后介绍基于蒙特卡洛法马尔可夫链的参数自适应算法过程。
1.编码器分析与编码参数初步筛选
在通过参数自适应的方法实现目标编码复杂度之前,首先需要理清编码器编码参数与编码时间和编码性能之间的关系,挑选出对编码时间和编码性能影响较大的编码参数。本节以x265编码器的Slow档为例,描述参数初步筛选的过程。
首先,在通用测试序列ClassA~ClassF中测试编码器多个默认编码参数配置下的编码时间和编码性能,得出的结果如图2所示。可以看出,不同的编码参数配置会导致不同的编码时间和编码性能,因此首先统计不同编码参数配置下发生改变的编码参数,如表一所示:
表一初始编码参数及参数值
表一中所有的编码参数涉及从目标优化起始配置(本案例以Slow为例)到编码速度最快的配置(本案例对应Ultrafast)中发生改变的参数及其参数值。其中不同参数值的改变,会对编码性能和编码速度产生不同的影响。因此在筛选过程中,每次改变表一中一个编码参数的参数值,测试该编码参数改变带来的编码性能变化(BDBR)和编码时间节省(TS),其结果反映在表二中。
表二编码参数评估表
根据每一个参数值的改变带来的BDBR和TS的改变,本具体应用实例根据图3将编码参数分为三类,分类1的编码参数改变会同时降低编码时间和提升编码性能,分类2的编码参数改变会明显影响编码时间和编码性能,分类3的编码参数改变对编码性能和编码时间影响不大,或者RDTscore过低(本具体应用实例中阈值为0.02,该阈值需要根据具体编码器调整)。分类1中的编码参数被直接用于替换默认编码参数配置,为后续的优化提供了良好的基础;分类2中的编码参数值的改变能有效地影响编码,为编码复杂度控制提供了良好的伸缩性;分类3中的编码参数被滤除。经过本步骤中的编码参数筛选,表一中的编码参数被精简成表三。
表三筛选出的编码参数和参数值
2.基于蒙特卡洛法马尔可夫链的参数自适应算法
表三中的编码参数与编码时间和编码性能紧密相关。给定目标编码时间,为了获取最优编码性能,所有编码参数的所有组合都需要进行遍历,才能得到最优值。然而,当编码器经过初步参数筛选,剩余的编码参数及参数值仍然选项很多,所有的参数组合数过大,不具有实际可操作性。那么需要一种算法,能够在不遍历所有编码参数组合的情况下,更加高效地获取相对于默认编码参数的更优解。
令目标编码时间为Tt,使用参数Param进行编码的真实编码时间为Tr(Param),初始的编码参数为Paraminit,当前最优编码参数为Parambest,生成的参数组合为Paramthis,可接受的编码时间误差为TE,进行两步参数优化的次数分别为Nloop1和Nloop2
本具体应用实例新提出的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的参数自适应算法包括如下两个循环:
循环一:控制编码时间为主,优化编码性能为辅
当循环次数小于Nloop1或||Tt-Tr(Parambest)||≥TE,即当前编码参数配置的编码时间不在目标范围内时,本循环一直执行。先由当前最优编码参数Parambest在参数集中随机生成一组新的编码参数Paramthis
在以下两个条件下,将当前的最优编码参数配置更新为最新配置(Parambest=Paramthis):
a)||Tt-Tr(Paramthis)||≤||Tt-Tr(Parambest)||
b)||Tt-Tr(Paramthis)||>||Tt-Tr(Paramtest)||且
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE
这两个条件代表当编码时间趋近于目标值时,或者编码时间可接受在范围内偏离目标值但是获取更优的编码性能时,新生成的编码参数都将被接受,用于替换当前最优编码参数。该循环的主要目标为控制编码时间在可接受的阈值内,同时兼顾提高整体性能。
循环二:优化编码性能
当循环次数小于Nloop2时:
在以下条件下,将当前的最优编码参数配置更新为最新配置(Parambest=Paramthis):
a)RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE
第一个循环已经将编码时间控制在可接受范围内,而本循环主要目标是获取更优的编码性能。
上述算法的基本思想是从当前配置迭代生成新的参数配置,并确定新配置是否更好。该算法包括两个循环,目标分别为编码时间限制和RDT性能优化。在给定条件下,当前最优参数配置将被新生成的参数配置替换。使用此参数自适应算法,可以在没有遍历参数组合的情况下获取接近目标编码时最佳性能的参数配置。
3.实施条件与结果
本具体应用实例提出的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应方法基于HEVC标准实用编码器x265(2.3)实现。编码时使用的GOP大小为30的编码配置。实验中用到的测试序列为所有ClassA~Class F中的HEVC标准测试序列。
为了验证所提出的参数自适应算法的有效性,首先表三中参数值的所有768种参数组合被用于x265编码,其编码性能和编码时间显示在图4中。图中的每个点对应于每个测试序列的10次运行的平均值,并且散点图的下包络给出参数适应的理想结果。然后,通过2中提及的参数自适应算法,针对10个代表性目标时间生成参数配置,如表四所示。
表四自适应生成的参数配置
生成参数集 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
Rect 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0
RDlevel 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2
RDOQ 2 2 0 0 2 0 0 0 0 0
SubpelRefine 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2
EarlySkip 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
Max CU 64 64 64 64 32 32 32 32 32 32
Min CU 8 8 8 8 8 8 8 8 16 16
SearchMethod STAR STAR STAR STAR STAR STAR DIA STAR DIA DIA
Ref(frame) 3 1 3 2 3 3 3 2 3 3
目标编码时间 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1500 0.1000
实际编码时间 0.8902 0.7651 0.6574 0.6206 0.5053 0.3903 0.3037 0.2391 0.1813 0.1281
BDBR(%) 0.0249 2.5955 1.6692 2.5915 1.9301 3.5821 8.3380 18.4732 38.9091 67.1615
BDPSNR(dB) -0.0008 -0.1334 -0.0857 -0.1321 -0.0996 -0.1827 -0.4158 -0.8536 -1.5214 -2.4831
在自适应算法中,TE被设置为0.05。初始编码参数为在表三中以粗体显示的参数。Nloop1和Nloop2分别为50和200。可以看出,本实验中仅仅使用了编码参数全部组合的250/768=33%的编码参数尝试,就达到了接近最优的编码参数结果。
每个配置的相应性能显示在表四和图4中。此外,x265默认参数配置的RDT性能也可以在图4中进行说明以进行比较。如图4所示,尽管参数选择的复杂度相对较低,但由该模型获得的配置可以很好地逼近最佳包络。更重要的是,它们在高目标时间下的表现也比x265默认预设好得多。
为了在高目标时间评估所提出的方法的性能增益,我们通过选择4对参数配置,并通过Bjontegaard提出的曲线拟合的方式计算差异,计算结果如表五所示。
表五基于参数配置对的编码性能比较
x265默认配置 BDBR(%) 编码时间 对应的生成参数配置
Slow 0.0000 1.0000 P1
Medium 8.1922 0.4562 P5
Fast 12.2018 0.3954 P7
Faster 15.9919 0.3530 P8
平均编码时间节省 -26.72%
本具体应用实例提出的方法在x265的各个配置下平均可以实现26.72%的编码时间节省,同时保持与x265默认配置相当的编码性能。
本实施例提供的一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链(MCMC)的编码参数自适应调整方法,其中:在使用编码器进行编码之前,首先进行编码参数初步评测,详细分析编码参数对性能和编码时间的影响,筛选出与编码性能和编码时间密切相关的编码参数。然后将根据编码参数对编码时间和编码性能的影响,将参数分类。最后,在给定的编码复杂度的范围下,本方法基于蒙特卡洛法马尔可夫链的原理,在各种参数组合的配置之间随机选择并进行编码,当满足一定临界条件下则进行状态跳转,选择更优的参数组合替换当前的参数组合。本实施例基于蒙特卡洛法马尔可夫链新提出了的编码器参数配置预优化过程,可以在不遍历全部编码参数组合的前提下,获取接近最优的编码参数配置。该方法可以适用于编码器级别参数调整的优化,使用低复杂度配置的编码参数获取高复杂度编码参数的编码性能,或者在同一编码复杂度情况下获取更优的编码性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,其特征在于:包括:
S1,设计一个关于编码参数对编码性能和编码时间影响的评价指标RDTscore,所述评价指标RDTscore用于在改变一个编码参数时,反映该编码参数对编码性能和编码时间的影响;
所述评价指标RDTscore,按照以下公式确定:
其中,TS代表修改编码参数带来的时间节省,BDBR代表修改编码参数带来的编码性能损失;
S2,为评价指标RDTscore设置一阈值,并依据该阈值对各编码参数进行初步筛选;
S3,给定目标编码复杂度,在初步筛选出的编码参数组成的参数集中,根据蒙特卡洛法随机生成新编码参数组合,并执行S4;
S4,使用新编码参数组合进行编码,根据本轮优化目标,比较新编码参数组合与对应的原编码参数,判断新编码参数组合是否被接受,如果接受,则执行S5,如果不接受,则返回重新执行S3;
所述S4中,判断新编码参数组合是否被接受的条件根据本轮优化目标确定;
按照以下公式确定:
若本轮优化目标为控制编码时间,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||≤||Tt-Tr(Parambest)||;
若优化目标为控制编码时间,兼顾优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
||Tt-Tr(Paramthis)||>||Tt-Tr(Parambest)||且
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE;
若优化目标为优化编码性能,那么若满足以下条件,新编码参数组合被接受:
RDTscore(Paramthis)>RDTscore(Parambest)且
||Tt-Tr(Paramthis)||≤TE;
其中,Tt为目标编码时间,Tr(Param)为使用参数Param进行编码的真实编码时间,Parambest为当前最优编码参数,Paramthis为生成的新编码参数组合,TE为可接受的编码时间误差;
S5,对比目标编码复杂度与真实编码复杂度,当真实编码复杂度在目标编码复杂度范围内且评价指标RDTscore在阈值之上时,采用当前编码参数;当真实编码复杂度在目标编码复杂度范围外或者评价指标RDTscore在阈值之下时,返回重新执行S3。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,其特征在于:所述S2中,对各编码参数进行初步筛选的过程为:基于某一组编码参数,逐个测试改变编码参数的结果并用评价指标RDTscore进行评价。
3.根据权利要求1或2所述的基于蒙特卡洛法马尔可夫链的编码参数自适应调整方法,其特征在于:较高的RDTscore代表着同样编码性能损失下较高的加速比,或者,相同加速比下较低的编码性能损失。
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