Contribuições para a Redução de Complexidade da Codificação Intra na Norma HEVC e Extensão 3D-HEVC

Abstract

A popularização de dispositivos eletrônicos de consumo que suportam vídeos de alta definição, tais como smartphones e câmeras digitais, constitui um obstáculo para os padrões de compressão de vídeo atuais, os quais ainda não estão aptos a suportar altas taxas de compressão, com baixa perda de qualidade e complexidade computacional aceitável. Visando resolver este problema, o grupo JCT-VC desenvolveu um novo padrão de compressão de vídeo, chamado HEVC, o qual alcança uma redução na taxa de bits consideravelmente maior quando comparado aos seus predecessores. Um dos fatores responsáveis por esse ganho em eficiência de codificação é o novo método de codificação intra adotado pelo HEVC, o qual introduz um grande número de direções de predição, melhorando o desempenho da taxa-distorção, a custo de um aumento considerável na complexidade computacional. Além disso, com os recentes avanços em tecnologia de vídeo tridimensional (3D), uma considerável expansão de sistemas de vídeo 2D para sistemas 3D tem ocorrido na indústria de multimédia e, consequentemente, a demanda por armazenamento e transmissão de conteúdo de vídeo 3D tem crescido muito. Para atender essa demanda e tirar partido do ganho em eficiência alcançado pelo padrão HEVC, o grupo JCT-3V iniciou o desenvolvimento de uma extensão 3D, chamada 3D-HEVC, a qual se encontra em fase final de padronização. Esta tese apresenta soluções algorítmicas para a redução de complexidade da codificação intra nos cenários de vista única (Singleview) e multivista (Multiview), contribuindo para reduzir de forma significativa a complexidade global do codificador HEVC e sua extensão 3D-HEVC. Foram desenvolvidos algoritmos rápidos para a decisão de modo intra do HEVC, decisão da profundidade das árvores de codificação inter-vistas, predição intra com inferência inter-vistas, codificação intra dos mapas de profundidade, e codificação intra de textura mais profundidade no contexto da extensão 3D-HEVC. Os resultados experimentais demonstraram que as soluções propostas para a codificação intra do HEVC, chegaram a alcançar uma redução de complexidade computacional de aproximadamente 40% em média, com perdas insignificantes em termos de eficiência de codificação (1,7% em BD-Rate em média) quando comparadas à codificação intra do HEVC. Além disso, a partir das soluções propostas para a codificação intra das vistas de textura e mapas de profundidade na extensão 3D-HEVC, foi possível alcançar uma redução de 26%, em média, na complexidade global do codificador 3D-HEVC, com uma perda de desempenho de 0,32% em BD-Rate em média, para as vistas originais do vídeo, e 0,45% em BD-Rate em média, para as vistas sintetizadas.

The popularization of consumer electronic devices supporting high-definition videos, like smart phones, digital cameras, etc., is a challenge to the current standard video coders which do not achieve high compression rates with low quality losses at acceptable complexity levels. In order to find better encoding methods for high-definition contents, the JCT-VC developed a new video coding standard, called HEVC, which achieves a higher encoding efficiency when compared to its predecessors. One of the factors responsible for this improvement in encoding efficiency is the new intra coding method adopted by the HEVC, which introduces a larger number of prediction directions, enhancing the rate-distortion (RD) performance at the cost of a higher computational complexity. Moreover, with the recent improvements in three dimensional (3D) video technology, a considerable expansion from 2D to 3D systems has occurred in the multimedia industry and consequently, the demand for storage and transmission of the 3D video content has grown. To cope with this demand and take advantage of the enhanced coding efficiency achieved by the HEVC standard, the JCT-3V started the development of a 3D extension to the HEVC, called 3D-HEVC, which is near the final standardization stage. This thesis presents algorithmic solutions to reduce the intra coding complexity in the Singleview and Multiview scenarios, contributing to reduce significantly the overall complexity of the HEVC encoder and its 3D-HEVC extension. Fast algorithms have been developed for the HEVC intra mode decision, inter-view prediction of coding tree decision depth, intra coding with inter-view mode prediction, intra coding of depth maps, and intra coding of texture and depth of the 3D-HEVC. The experimental results demonstrated that the proposed HEVC intra coding solutions achieved a computational complexity reduction of approximately 40% on average, with negligible losses in terms of coding efficiency (1.7% in BD-Rate on average) when compared to the HEVC intra coding. Furthermore, the proposed solutions for the intra coding of 3D-HEVC texture views and depth maps achieved an average reduction of 26% for the overall complexity of the 3D-HEVC encoder with minimal loss in performance (0.32% on average in BD-Rate) for the video only, and 0.45% BD-Rate increase, on average, for the synthesized views.