Повышение эффективности метода энтропийного кодирования в современных стандартах видеосжатия
Ключевые слова:
энтропийный кодирование, метод CABAC, метод CAVLC, алгоритм нумерационного кодирования, H.265/HEVC, H.264/AVCАннотация
Современные стандарты кодирования видеоданных имеют высокую эффективность кодирования, но скорость кодирования может быть улучшена для удовлетворения растущих потребностей мультимедийных приложений. В статье рассматриваются методы и алгоритмы энтропийного кодирования в стандартах кодирования видеоданных H.264/AVC и H.265/HEVC. Контекстно-зависимое адаптивное кодирование с переменной длиной кодового слова CAVLC (Context-based Adaptive Variable Length) для стандарта H.264/AVC изначально предназначалось для ко-дирования с потерями и как таковое не давало адекватной производительности для кодирования без потерь. Контекстно-зависимое адаптивное бинарное арифметиче-ское кодирование CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding) — это метод энтропийного кодирования, впервые введенный в H.264/AVC и используемый в стандарте H.265/HEVC. Хотя он обеспечивает высокую эффективность кодирования, зависимости данных в H.264/AVC CABAC затрудняют распараллеливание и, таким образом, ограничивают его пропускную способность. Соответственно, во время стандартизации энтропийного кодирования для HEVC были рассмотрены как эффективность кодирования, так и пропускная способность. На основе анализа их достоинств и недостатков предложен метод энтропийного кодирования с последующим применением нумерационного иерархического кодирования. Он состоит из алгоритма САВАС и алгоритма нумерационного кодирования с применением иерархического подхода. Предложенный метод протестирован в среде разработки Visual C++ на различных тестовых видеопоследовательностях. Результаты экспериментов показали большую эффективность кодирования мультимедийных данных (уменьшает в среднем до 15% объема памяти хранения по сравнению с традиционным методом CABAC), но при этом метод требует большее время кодирования (примерно в два раза). Предложенный метод можно рекомендовать для применения в телекоммуни-кационных системах для решения задач хранения, передачи и обработки мультимедийных данных, где в первую очередь требуется большая степень сжатия.Литература
1. Ричардсон Я. Видеокодирование. H.264 и MPEG-4 – стандарты нового поколения // М.: Техносфера. 2005. 368 с.
2. Zhang H. et al. Evaluation of beyond-HEVC entropy coding methods for DCT transform coefficients // 2016 Visual Communications and Image Processing (VCIP). 2016. pp. 1–4.
3. Huffman D.A. A method for the construction of minimum-redundancy codes // Proc. IRE. 1952. vol. 40. no. 9. pp. 1098–1101.
4. Rissanen J., Langdon G.G. Arithmetic Coding // IBM Journal of Research and Development. 1979. vol. 23, no. 2. pp. 149–162.
5. Acharyya A., Kothari S., Reeve J. A new CAVLC algorithm for higher bit compression by introducing the concept of Position Coding of the coefficients in H.264/AVC // 2012 IEEE International Conference on Industrial Technology. 2012. pp. 123–128.
6. Nargundmath S., Nandibewoor A. Entropy coding of H.264/AVC using Exp-Golomb coding and CAVLC coding // International Conference on Advanced Nanomaterials & Emerging Engineering Technologies. 2013. pp. 607–612.
7. Rapaka K., Yang En-Hui. A High Throughput Multi Symbol CABAC Framework for Hybrid Video Codecs // 2013 Data Compression Conference. 2013. pp. 515–515.
8. Marpe D., Schwarz H., Wiegand T. Context-based adaptive binary arithmetic coding in the H.264/AVC video compression standard // IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol. 2003. vol. 13. no. 7. pp. 620–636.
9. Wiegand T. Overview of the H. 264/AVC video coding standard // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2003. vol. 13. no 7. pp. 560–576.
10. Sullivan G.J. et al. Overview of the high efficiency video coding (HEVC) standard // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2012. vol. 22. no. 12. pp. 1649–1668.
11. ITU-T. ITU-T Recommendation H.265 High Efficiency Video Coding // ITU Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). 2015. 609 p.
12. Belyaev E., Turlikov A., Egiazarian K. An Efficient Adaptive Binary Arithmetic Coder With Low Memory Requirement // IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing. 2013. vol. 7. no. 6. pp. 1053–1061.
13. Belyaev E. et al. An Efficient Adaptive Binary Range Coder and Its VLSI Architecture // IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol. 2015. vol. 25. no. 8. pp. 1435–1446.
14. Aulí-Llinàs F. Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding With Fixed-Length Codewords // IEEE Trans. Multimed. 2015. vol. 17. no. 8. pp. 1385–1390.
15. Heo J., Ho Y.-S. VLC table prediction for CAVLC in H.264/AVC using correlation, statistics, and structural characteristics of mode information // Telecommun. Syst. 2013. vol. 52, no 3. pp. 1633–1641.
16. Heo J., Oh K.-J., Ho Y.-S. An Efficient Table Prediction Scheme for CAVLC in H.264. URL:https://pdfs.semanticscholar.org/a383/2912d3fbb463b4dde1d286c7f138226171ed.pdf (accessed: 15.03.2017).
17. Neji N. et al. FPGA implementation of improved binarizer design for context-based adaptive binary arithmetic coder // 2016 International Image Processing, Applications and Systems (IPAS). 2016. pp. 1–4.
18. Нгуен В.Ч., Тропченко А.А. Повышение эффективности сжатия данных с помощью иерархического перечислительного кодирования // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. T. 59. № 12. C. 991–996.
19. Нгуен В.Ч. Анализ и разработка методов и алгоритмов энтропийного кодирования. Deutchland: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2017. 52 с.
20. Lynch T.J. Sequence time coding for data compression // Proc. IEEE. 1966. vol. 54. no. 10. pp. 1490–1491.
21. Davisson L.D. Comments on “Sequence Time Coding for Data Compression” // Proceedings of the IEEE. 1966. vol. 54. no. 12. pp. 2010–2011.
2. Zhang H. et al. Evaluation of beyond-HEVC entropy coding methods for DCT transform coefficients // 2016 Visual Communications and Image Processing (VCIP). 2016. pp. 1–4.
3. Huffman D.A. A method for the construction of minimum-redundancy codes // Proc. IRE. 1952. vol. 40. no. 9. pp. 1098–1101.
4. Rissanen J., Langdon G.G. Arithmetic Coding // IBM Journal of Research and Development. 1979. vol. 23, no. 2. pp. 149–162.
5. Acharyya A., Kothari S., Reeve J. A new CAVLC algorithm for higher bit compression by introducing the concept of Position Coding of the coefficients in H.264/AVC // 2012 IEEE International Conference on Industrial Technology. 2012. pp. 123–128.
6. Nargundmath S., Nandibewoor A. Entropy coding of H.264/AVC using Exp-Golomb coding and CAVLC coding // International Conference on Advanced Nanomaterials & Emerging Engineering Technologies. 2013. pp. 607–612.
7. Rapaka K., Yang En-Hui. A High Throughput Multi Symbol CABAC Framework for Hybrid Video Codecs // 2013 Data Compression Conference. 2013. pp. 515–515.
8. Marpe D., Schwarz H., Wiegand T. Context-based adaptive binary arithmetic coding in the H.264/AVC video compression standard // IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol. 2003. vol. 13. no. 7. pp. 620–636.
9. Wiegand T. Overview of the H. 264/AVC video coding standard // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2003. vol. 13. no 7. pp. 560–576.
10. Sullivan G.J. et al. Overview of the high efficiency video coding (HEVC) standard // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2012. vol. 22. no. 12. pp. 1649–1668.
11. ITU-T. ITU-T Recommendation H.265 High Efficiency Video Coding // ITU Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). 2015. 609 p.
12. Belyaev E., Turlikov A., Egiazarian K. An Efficient Adaptive Binary Arithmetic Coder With Low Memory Requirement // IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing. 2013. vol. 7. no. 6. pp. 1053–1061.
13. Belyaev E. et al. An Efficient Adaptive Binary Range Coder and Its VLSI Architecture // IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol. 2015. vol. 25. no. 8. pp. 1435–1446.
14. Aulí-Llinàs F. Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding With Fixed-Length Codewords // IEEE Trans. Multimed. 2015. vol. 17. no. 8. pp. 1385–1390.
15. Heo J., Ho Y.-S. VLC table prediction for CAVLC in H.264/AVC using correlation, statistics, and structural characteristics of mode information // Telecommun. Syst. 2013. vol. 52, no 3. pp. 1633–1641.
16. Heo J., Oh K.-J., Ho Y.-S. An Efficient Table Prediction Scheme for CAVLC in H.264. URL:https://pdfs.semanticscholar.org/a383/2912d3fbb463b4dde1d286c7f138226171ed.pdf (accessed: 15.03.2017).
17. Neji N. et al. FPGA implementation of improved binarizer design for context-based adaptive binary arithmetic coder // 2016 International Image Processing, Applications and Systems (IPAS). 2016. pp. 1–4.
18. Нгуен В.Ч., Тропченко А.А. Повышение эффективности сжатия данных с помощью иерархического перечислительного кодирования // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. T. 59. № 12. C. 991–996.
19. Нгуен В.Ч. Анализ и разработка методов и алгоритмов энтропийного кодирования. Deutchland: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2017. 52 с.
20. Lynch T.J. Sequence time coding for data compression // Proc. IEEE. 1966. vol. 54. no. 10. pp. 1490–1491.
21. Davisson L.D. Comments on “Sequence Time Coding for Data Compression” // Proceedings of the IEEE. 1966. vol. 54. no. 12. pp. 2010–2011.
Опубликован
2018-06-01
Как цитировать
Нгуен, В. Ч., & Тропченко, А. А. (2018). Повышение эффективности метода энтропийного кодирования в современных стандартах видеосжатия. Труды СПИИРАН, 3(58), 111-127. https://doi.org/10.15622/sp.58.5
Раздел
Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
