Técnicas de mejora de la eficiencia de codificación de vídeo

Resumo

[EN] This Thesis presents a set of tools that allows the improvement of the digital video coding efficiency by exploiting the fundamentals of the state of the art video coding standards. This work has been focused both on research and on the application of the results to the encoding of digital video in real time mobile environments. The first contribution is an automatic shot change detection algorithm integrated in the encoding process. This algorithm is based on the monitoring of the coding mode of the macroblocks of the sequence, and the proper definition of a set of parameters provides excellent detection rates, precision and recall. The results also indicate an improvement on the encoded video quality when these detection techniques are used, which triggers the definition of a content-based keyframe selection algorithm. With this method, the optimal position of reference pictures can be determined. These keyframes are then used by the encoder to perform temporal prediction of the subsequent frames, which improves the compression rate and the encoded video quality (both objective and subjective). This quality improvement is the main objective of this Thesis. In the last part of this work, a rate control algorithm for variable bitrate and frame rate environments has been defined, being able to generate a bitstream that quickly follows the varying conditions of the mobile channel. In parallel to all this work, a set of training and test sequences has been obtained, providing an optimal environment for the design, development, configuration, optimization and test of the algorithms described here. [ES] Esta tesis presenta un conjunto de herramientas que permiten mejorar la eficiencia de codificación de vídeo mediante la explotación de los fundamentos en los que se basan los principales estándares de codificación actuales. El trabajo se ha orientado tanto a la investigación como a la aplicación de los resultados a la codificación de vídeo en tiempo real en entornos móviles. En primer lugar se ha definido un algoritmo de detección automática de cambios de plano para entornos de tiempo real integrado en el proceso de codificación. Este algoritmo está basado en la monitorización del modo de codificación de los macrobloques de la secuencia y la correcta definición de un conjunto de parámetros consigue unas tasas de detección, una precisión y una eficacia superiores a otros métodos similares existentes en la literatura. Los resultados muestran también una mejora en la calidad del vídeo codificado al aplicar estas técnicas de detección, lo que lleva a la definición de un algoritmo de selección de imágenes de referencia (keyframes) basado en el contenido. Así se pueden obtener las posiciones óptimas para las imágenes de referencia utilizadas por el codificador para realizar predicciones temporales que aumentan la calidad tanto objetiva como subjetiva del vídeo codificado, lo que constituye a su vez el objetivo principal de esta tesis. Por último, se ha diseñado un algoritmo de control de tasa capaz de obtener un bitstream que se adapta rápidamente a los cambios tanto de bitrate como de tasa de imágenes por segundo producidos en el canal móvil. Paralelamente, se ha obtenido un conjunto de secuencias de entrenamiento y test que proporcionan un entorno óptimo para el diseño, desarrollo, configuración, optimización y prueba de los algoritmos aquí descritos. [CAT] Aquesta tesi presenta un conjunt de ferramentes que permeten millorar la eficiència de codificació de vídeo digital mitjançant l'explotació dels fonaments en els que es basen els principals estàndards de codificació actuals. El treball ha estat orientat tant a la investigació com a l'aplicació dels resultats a la codificació de vídeo en temps real en entorns mòbils. En primer lloc s'ha definit un algoritme de detecció automàtica de canvis de plànol integrat en el propi procés de codificació. Aquest algoritme s'ha basat en la monitorització del mode de codificació dels macroblocs de la seqüència, i la correcta definició d'un conjunt de paràmetres de configuració permet aconseguir unes taxes de detecció, una precisió i una eficàcia superiors a altres mètodes similars presents a la literatura. Aquests resultats també indiquen una millora en la qualitat del vídeo codificat al aplicar aquestes tècniques de detecció la qual ens porta a la definició d'un algoritme de selecció d'imatges de referència (keyframes) basada en el contingut. Amb aquest algoritme es poden obtenir les posicions òptimes per a les imatges de referència utilitzades pel codificador per a realitzar prediccions temporals òptimes que augmenten la qualitat tant objectiva com subjectiva del vídeo codificat. Amb esta millora s'assoleix l'objectiu principal d'aquesta tesi. Per últim, s'ha dissenyat un algoritme de control de taxa capaç d'obtenir un bitstream que s'adapta ràpidament als canvis tant de bitrate com de taxa d'imatges per segon requerits per les condicions canviants del canal mòbil. Paral·lelament s'ha obtingut un conjunt de seqüències d'entrenament i test que permet disposar d'un entorn òptim per al disseny, desenvolupament, configuració, optimització i prova dels algoritmes descrits en aquestes fulles.