率失真理论-中国科学技术大学
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联合率失真模型的帧级码率控制方法何书前;邓正杰;石春【摘要】在H.264/AVC视频编码框架下,基于联合率失真模型,提出了一种新的帧级码率控制方法。
利用分块数量和平均运动矢量信息,发展了一种精确的头信息估计模型;联合头信息与残差信息模型,并结合残差失真模型,提出新的联合头信息与残差率失真模型;利用精确的估计方法进一步提高率失真性能。
相对于最新的JVT H.264/AVC参考软件JM10.2中采用的JVT-G012方法,该方法提高了实际码率与目标码率之间的匹配率达到了98.06%,重构视频的平均亮度PSNR值增加了0.27 dB。
%This paper presents a new frame-level rate control scheme for H.264/AVC with joint rate and distortion models. A rate model for the header information is developed to estimate header bits more accurately. The number of header bits is mod-eled as a function of the number of blocks and the average bits of MVs. A new Rate-Distortion(R-D)model for header informa-tion and texture is proposed to joint header-texture rate model and a distortion model. An accurate estimation method is pro-posed to improve rate distortion performance. When compared with the rate control scheme G012 which is adopted by the latest JVT H.264/AVC reference model JM10.2, the proposed rate control algorithm could improve the matching rate between actual bits and targets ones by up to 98.06%. The average luminance PSNR of decoded video is increased by up to 0.27 dB.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2013(000)023【总页数】5页(P19-23)【关键词】率失真;码率控制;头信息;目标码率【作者】何书前;邓正杰;石春【作者单位】中山大学信息科学与技术学院,广州 510275; 海南师范大学信息科学技术学院,海口 571158;海南师范大学信息科学技术学院,海口 571158;海南师范大学信息科学技术学院,海口 571158【正文语种】中文【中图分类】TN919.8在视频通信系统中,如何在有限的带宽和缓冲资源条件下达到最好的视频编码质量,码率控制起到非常重要的作用。
中国科学院2007 年度优秀博士学位论文、院长奖、冠名奖学金及优秀导师奖荣誉名册中国科学院人事教育局二○○七年十二月目录全国优秀博士学位论文获奖名单(15 篇)中国科学院优秀博士学位论文获奖名单(50 篇)中国科学院优秀研究生指导教师奖获奖名单(50 名)中国科学院院长奖获奖名单(220 名)中国科学院优秀研究生导师奖获奖名单(20 名)刘永龄奖学金获奖名单(80 名)宝洁优秀博士生奖学金获奖名单(50 名)中国科学院宝洁优秀研究生导师奖获奖名单(15 名)地奥奖学金获奖名单(90 名)宝钢优秀教师奖、学生奖获奖名单(20 名)大恒光学奖学金获奖名单(20 名)一、全国优秀博士学位论文获奖名单(15 篇)论文题目动力学方程 (组 )的全局古典解基于 TEI@I 方法论框架下外汇汇率与国际原油价格波动预测研究作者指导教师培养单位喻洪俊肖玲数学与系统科学研究院余乐安汪寿阳数学与系统科学研究院量子绝热过程与非绝热跃迁的若干理张芃孙昌璞理论物理研究所论问题研究Si(111)衬底上 Pb 薄膜的低温生长、电子结构张艳锋薛其坤物理研究所和量子效应研究分子器件的制备和性能研究肖恺朱道本化学研究所南半球大气环流与东亚春季气候及沙尘的关范可王会军大气物理研究所系研究分子水平上研究地质流体的物理化学性质张志刚段振豪地质与地球物理研究所基于率失真优化的视频编码研究马思伟高文计算技术研究所贵金属纳米粒子的化学合成和自组装纳米结程文龙汪尔康长春应用化学研究所构TRPC 离子通道在脑源性神经营养因子介导李艳蒲慕明上海生命科学研究院的神经元轴突转向过程中的作用有机 -金属手性自负载催化剂的设计、合成及王兴旺丁奎岭上海有机化学研究所其在某些催化不对称反应中的应用铁电单晶 PMN-PT 电光性能和结构本质的研万新明罗豪甦上海硅酸盐研究所究姜科植物传粉生物学的研究王英强陈忠毅华南植物园东亚人群线粒体 DNA 系统发育基因组学研孔庆鹏张亚平昆明动物研究所究扫描隧道显微术在特殊纳米体系中的应用与王克东侯建国中国科学技术大学发展二、中国科学院优秀博士学位论文获奖名单(50 篇)论文题目作者指导教师培养单位几类弥散型非线性偏微分方程组的研究非阶化 Witt 型和 Block 型李代数的不可约表示J/K + K- 0的分波振幅分析基于超导量子电路的量子态操控镁基大块非晶的合成、形成能力、塑性流变及断裂行为的研究双势垒磁性隧道结的微制备和磁电性质的研究岩石的细观非均匀性对其宏观变形、损伤和灾变的影响纳米材料的制备、功能化及其器件的性质研究天然超疏水生物表面微纳米结构的仿生研究生物系统多尺度热学响应问题的研究和应用一个高分辨率热带太平洋模式及其与全球大气模式的耦合研究富营养化湖泊湖滨带氮生物地球化学过程研究——以太湖梅梁湾为例多边形微腔激光器和微腔滤波器的研究蝙蝠 SARS 样冠状病毒的研究果蝇视觉学习记忆功能定位与解析AtCaMRLK 和 AtGRP 在拟南芥早期胚胎发育中的功能分析成瘾药物渴求与自然奖赏物渴求神经机制的比较研究——外侧下丘脑与伏隔核NMDA及MCH受体的作用W波段回旋行波管放大器的研究数字电路测试压缩方法研究郝成春肖玲数学与系统科学研究院赵玉凤徐晓平数学与系统科学研究院庄胥爱金山高能物理研究所王颖丹孙昌璞理论物理研究所郗学奎汪卫华物理研究所曾中明韩秀峰物理研究所许向红白以龙力学研究所付磊刘云圻化学研究所高雪峰江雷化学研究所吕永钢刘静理化技术研究所符伟伟王会军大气物理研究所王洪君尹澄清生态环境研究中心陈沁黄永箴半导体研究所李文东张树义动物研究所刘刚刘力生物物理研究所丁永和杨维才遗传与发育生物学研究所李勇辉隋南心理研究所来国军刘濮鲲电子学研究所韩银和李晓维计算技术研究所信息网络拓扑结构与内容相关性研究纳米材料的湿化学合成及新颖结构的自组装构建两相法合成半导体量子点及其发光性能研究PEMFC 甲醇自热重整制氢体系关键过程优化Mg-Cu-RE 合金系的玻璃形成能力及其内生复合材料螺旋藻基因组结构分析和藻胆蛋白的适应性进化TRPC 通道促进小脑颗粒细胞存活并参与 BDNF 介导的神经元轴突导向阿片镇痛的调控机制研究: Delta 型阿片肽受体转运的调控机理及功能海马区神经元和胶质细胞相互作用及其可塑性的研究油菜素内酯调控生长素极性运输促进双子叶植物向性建成及根分化的机理研究水稻耐盐相关 QTL , SKC1 的定位、克隆及功能分析程学旗李国杰计算技术研究所孙旭平汪尔康长春应用化学研究所潘道成姬相玲长春应用化学研究所王胜王树东大连化学物理研究所麻晗卢柯金属研究所赵方庆秦松海洋研究所贾怡昌王以政上海生命科学研究院管吉松张旭上海生命科学研究院戈鹉平段树民上海生命科学研究院李李薛红卫上海生命科学研究院任仲海林鸿宣上海生命科学研究院Arrestin 调控 Toll 样受体 -白介素 1 受王娅娅裴钢上海生命科学研究院体的信号转导Nudel 在内膜系统运输及有丝分裂中的功能星系形成的半解析模型SGOI、 SODI 新结构材料及其相关技术研究分子折叠体的组装及其在分子识别研究中的应用有机磷农药的定量结构 -性质 /活性相关研究冻土路基传热过程及调控新技术研究时变重力信号的小波分析郁伟朱学良上海生命科学研究院康熙景益鹏上海天文台上海微系统与信息技术研狄增峰张苗究所侯军利黎占亭上海有机化学研究所颜冬云蒋新南京土壤研究所寒区旱区环境与工程研究俞祁浩程国栋所胡小刚柳林涛测量与地球物理研究所有机小分子催化的直接Aldol 反应HT-7 托卡马克边界等离子体湍流与输运的研究贵州省典型汞矿地区汞的环境地球化学研究非线性波动方程的间断有限元方法多光子纠缠及其在量子信息中的应用分子尺度量子态探测与调控的扫描隧道显微学研究量子保密通信体系的研究类星体宽吸收线区的共振与电子散射偏振纳米材料的理论研究及线性标度电子结构方法的发展胶东地块变质岩同位素地球化学研究废水生物处理反应器中微生物聚集体表面特性的研究CDMA 系统中的盲自适应信号处理算法研究:多用户检测与天线阵列波束形成唐卓龚流柱成都有机化学研究所徐国盛万宝年合肥物质科学研究院仇广乐冯新斌地球化学研究所徐岩舒其望中国科学技术大学张强潘建伟中国科学技术大学赵爱迪侯建国中国科学技术大学郭国平郭光灿中国科学技术大学王慧元王挺贵中国科学技术大学向红军杨金龙中国科学技术大学唐俊郑永飞中国科学技术大学盛国平俞汉青中国科学技术大学杨坚奚宏生中国科学技术大学三、中国科学院优秀研究生指导教师奖获奖名单(50 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( 本部 )硕士李娇女研究生院 ( 本部 )硕士祁晓廷男研究生院 ( 本部 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第十章率失真理论由实际生活经验我们知道,一般人们并不要求完全无失真地恢复消息。
对人的心理视觉研究表明,人们在观察图像时主要是寻找某些比较明显的目标特征,而不是定量地分析图像中每个像素的亮度,或者至少不是对每个像素都等同地分析。
例如观看段视频或观察幅图像,同地分析。
例如观看一段视频或观察一幅图像,人们可能会关注其主要情节,对视频或图像中的细节并不是那么注意,此时便允许视频或图像有一定程度的失真。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌234第十章率失真理论描述一个任意的实数需要无穷比特。
对连续随机变量的有限表示不可能完美。
对连续随机变量的有限表示不可能完美失真度量:随机变量和它的表示之间的距离的度量。
度量率失真理论的基本问题:对于一个给定的信源分布与失真度量在特定的码率下可达到的分布与失真度量,在特定的码率下,可达到的最小期望失真是多少?率失真理论是进行量化、数模转换、频带压缩和数据压缩的理论基础。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌235量化X 例的表示(再生点):R 比特失真度量:中国科学技术大学刘斌236《信息论基础》量化Lloyd算法:量化的迭代算法✓基于某个再生点集合,找到最优的再生区域基于某个再生点集合找到最优的再生区域集(在失真度量下的最邻近的区域)✓确定这些区域的相应最优再生点n个独立同分布的随机变量集合✓可用nR比特表示使用一个✓使用个nR比特的序列来表示联合的n元随机变量,要优于使用n个R比特的序列来分别表示n个随机变量。
个随机变量《信息论基础》中国科学技术大学刘斌237率失真理论模型信源:编码:编码译码:《信息论基础》中国科学技术大学刘斌238失真度量失真函数(distortion function)或失真度量(distortion measure):信源字母表与再生字母表的乘积空间到非负实数集的映射✓汉明(误差概率)失真:✓平方误差失真:称失真度量是有界的:失真的最大值有限失真的最大值有限《信息论基础》中国科学技术大学刘斌239失真度量失真函数是人为地规定的,给出其规定时应该考虑解决问题的需要以及失真可能引起的损失、风险和主观上感觉的差别等因素。
别等因素个随机变应与信源分 是一个随机变量,它应该与信源分布函数有关,因此有必要找出在统计平均意义上信道每传送个符号所引起失真的意义上信道每传送一个符号所引起失真的大小。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌240率失真码序列间的失真:率失真码包括一编码函数和一个译码(再生)函数该率失真码的失真定义为《信息论基础》中国科学技术大学刘斌241率失真函数和失真率函数称率失真对(R,D)是可达的,若存在一个率失真码序列,满足全体可达率失真对(R,D)所成的集合闭包称为信源的率失真区域对于给定的失真D,满足(R,D)包含于信源的率失真区域中的所有码率R的下确界称为率失真函数(ratedistortion function)R(D)对于给定的失真R,满足(R,D)包含于信源的率失真区满足(R域中的所有失真D的下确界称为失真率函数(distortion rate function)D(R)《信息论基础》中国科学技术大学刘斌242信息率失真函数信息率失真函数:定理对于独立同分布的信源X,若公共分布为p(x)且失真函数有界,那么其率失真函数与对应的信息率失真函数相等。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌243信息率失真函数信息率失真函数:定理对于独立同分布的信源X,若公共分布为p(x)且失真函数有界,那么其率失真函数与对应的信息率失真函数相等。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌244信息率失真函数的理论基础对于给定信源P(X),互信息I(X;Y)是信道传输概率P(Y|X)的凸函数也就是说,对于一个概率分布为P(X)的信源,总可以找到某个转移概率分布的信使平均交信以找到某一个转移概率分布的信道,使平均交互信息量达到最小值。
这个最小值是P(X)的函数,体现了信源本身的特性 这个性质是信息率失真函数的理论基础《信息论基础》中国科学技术大学刘斌245信息率失真函数的物理意义信息率失真函数是在给定失真的前提下,信宿必须获得的平均信息量的最小值,是信源必须输出的最小信息率。
信息传输速率本质上是描述信源特性的,因此R(D)也应该是仅仅用于描述信源。
若信源消息经无失真编码后的信息传输速率为R,则在则在保真度准则下信源编码输出的信息率就是R(D),且R(D) < R在保真度准则条件下的信源编码比无失真情况得到了压缩,同时R(D)是保真度条件下对信源进行压缩的极限值,亦即信源信息率可压缩的最低限度,它仅取决于信源特性和保真度要求,与信道特性无关。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌246信息率失真函数与信道容量的比较信道容量定义为。
它表示信道的最大传输能力,反映的是信道本身的特性,应该与信源无关。
但平均互信息量与信源的特性有关为排除信源特性对信平均互信息量与信源的特性有关,为排除信源特性对信道容量的影响,在所有的信源中以那个能够使平均互信息量达到最大的信源为参考,从而使信道容量仅与信道特性有关,信道不同,C亦不同。
信息率失真函数它与信道无关。
为此在所有信道中以能够使平均互信息量达到最小的信道为参考,从而使信息率失真函数仅与信源特性有关,信源不同,R(D)亦不同。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌247引入率失真函数与信道容量的目的引入C, 是为了解决在所用信道中传送的最大信息量到底有多大的问题,它给出了信道可能传输的最大信息量,是无差错传输的上限引入能够为信道编码服务或是无差错传输的上限。
引入C能够为信道编码服务,或者说为提高通信的可靠性服务。
引入R(D),是为了解决在允许失真度D条件下,信源编码到底能压缩到什么程度的问题,它给出了保真度条编码到底能压缩到什么程度的问题它给出了保真度条件下信源信息率可被压缩的最低限度,引入它能够为信源的压缩编码服务,或者说是为提高通信的有效性服务。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌248二元信源的率失真函数定理Bernoulli(p)信源在汉明失真度量下的率失真函数为《信息论基础》中国科学技术大学刘斌249Bernoulli分布的熵例《信息论基础》中国科学技术大学刘斌250二元信源的率失真函数《信息论基础》中国科学技术大学刘斌251高斯信源的率失真函数定理一个信源在平方误差失真度量下的率失真函数为《信息论基础》中国科学技术大学刘斌256高斯信源的率失真函数《信息论基础》中国科学技术大学刘斌257高斯信源的失真率函数失真率函数:✓1比特时的最佳期望平方误差:用1比特量化高斯信源期望失真为《信息论基础》中国科学技术大学刘斌258并联高斯信源的率失真m个独立的正态随机信源信息率失真函数的定义率失真函数为:选取满足《信息论基础》中国科学技术大学刘斌259反注水法《信息论基础》中国科学技术大学刘斌260率失真定理的逆定理率失真函数R(D)是关于D 的非增凸函数。
率失真定理的逆定理对于失真度定理 率失真定理的逆定理:对于失真度量,且i.i.d.服从p(x)的任何信源X ,以的任何个率失真码码及失真小于D 的任何一个率失真码,码率必定满足中国科学技术大学刘斌261《信息论基础》带失真的信源信道分离定理定理令为有限个独立同分布字母表的信源,编码为容量C的离散无记忆信道中的n个输入字符序列。
而信道的输出映射为重构字母表。
令为由该组合信源与信道编码方案构成的平均失真。
该失真D可达当且仅当C>R(D)成立。
真该失真C R(D)成立《信息论基础》中国科学技术大学刘斌262失真典型序列失真典型序列:失真典型集:《信息论基础》中国科学技术大学刘斌263失真典型序列的性质设独立同分布的序列,则当时,对任意,对,《信息论基础》中国科学技术大学刘斌264率失真函数的可达性率失真函数的可达性(香农第三定理,定理有失真信源编码定理):对于任意的D和任意的R>R(D),具有码率R和失真D的率失真码序列存在。
✓码簿的生成✓编码✓译码✓失真计算✓误差概率计算《信息论基础》中国科学技术大学刘斌265高斯信道信道编码定理的证明《信息论基础》中国科学技术大学刘斌266率失真函数的可达性香农第三定理仍然只是个存在性定理,至于最佳编码方法如何寻找,定理中并没有给出,因此有关理论的实际应用有待于进一步研究。
如何计算符合实际信源的信息率失真函数R(D)?() 如何寻找最佳编码方法才能达到信息压缩的极限值R(D)?这是该定理在实际应用中存在的两大问题,它们的彻底解决还有赖于继续的努力。
尽管如此,香农第三定理毕竞对最佳限失真信源编码方法的存在给出了肯定的回答,它为今后人们在该领域的不断深入探索提供了坚定的信心该领域的不断深入探索提供了坚定的信心。
《信息论基础》中国科学技术大学刘斌267信息的价值信息的客观评价:香农信息论的信息量; 信息的主观评价:重要性因人而异;信息的价值评价:把平均失真理解为平均损失,信息的获得->平均失真的减少->平均损失的减少->信息价值的体现某工厂生产合格品x )=099例 某工厂生产:合格品—x 1,p(x 1)=0.99废品—x 2,p(x 2)=0.01检验合格品y 合格品报废检验:合格品—y 1,合格品报废—损失1元废品—y 2,废品出厂—损失100元中国科学技术大学刘斌268《信息论基础》信息的价值模型:例1201,0990011000x x D ⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥X 1.产品未经检验全部出厂:损失1元;()0.990.01i p x ⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦2.产品未经检验全部报废:损失0.99元;3.检验完全正确:需要0.081bit 信息量,避免了0.99元的损失,信息价值12.2元/bit ;4.检验有一定误差(设错判概率为0.1):需要0.025bit 信息避免的失信息值息量,避免了0.791元的损失,信息价值31.6元/bit 中国科学技术大学刘斌269《信息论基础》。