Algorithms for complexity management in video coding

• Autores: Amaya Jiménez Moreno
• Directores de la Tesis: Fernando Díaz de María (dir. tes.), Eduardo Martínez Enríquez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Jaureguízar Núñez (presid.), Iván González Díaz (secret.), Javier Ruiz Hidalgo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan Carlos
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Código y sistemas de codificación
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • Nowadays, the applications based on video services are becoming very popular, e.g., the transmission of video sequences over the Internet or mobile networks, or the increasingly common use of the High Definition (HD) video signals in television or Blu-Ray systems. Thanks to this popularity of video services, video coding has become an essential tool to send and store digital video sequences. The standardization organizations have developed several video coding standards, being the most recent H.264/AVC and HEVC. Both standards achieve great results compressing the video signal by virtue of a set of spatio-temporal predictive techniques. Nevertheless, the efficacy of these techniques comes in exchange for a high increase in the computational cost of the video coding process. Due to the high complexity of these standards, a variety of algorithms attempting to control the computational burden of video coding have been developed. The goal of these algorithms is to control the coder complexity, using a specific amount of coding resources while keeping the coding efficiency as high as possible. In this PhD Thesis, we propose two algorithms devoted to control the complexity of the H.264/AVC and HEVC standards. Relying on the statistical properties of the video sequences, we will demonstrate that the developed methods are able to control the computational burden avoiding relevant losses in coding efficiency. Moreover, our proposals are designed to adapt their behavior according to the video content, as well as to different target complexities. The proposed methods have been thoroughly tested and compared with other state-of-the-art proposals for a variety of video resolutions, video sequences and coding configurations. The obtained results proved that our methods outperform other approaches and revealed that they are suitable for practical implementations of coding standards, where the computational complexity becomes a key feature for a proper design of the system. En la actualidad, la popularidad de las aplicaciones basadas en servicios de vídeo, como su transmisión sobre Internet o redes móviles, o el uso de la alta definición (HD) en sistemas de televisión o Blu-Ray, ha hecho que la codificación de vídeo se haya convertido en una herramienta imprescindible para poder transmitir y almacenar eficientemente secuencias de vídeo digitalizadas. Los organismos de estandarización han desarrollado diversos estándares de codificación de vídeo, siendo los más recientes H.264/AVC y HEVC. Ambos consiguen excelentes resultados a la hora de comprimir señales de vídeo, gracias a una serie de técnicas predictivas espacio-temporales. Sin embargo, la eficacia de estas técnicas tiene como contrapartida un considerable aumento en el coste computacional del proceso de codificación. Debido a la alta complejidad de estos estándares, se han desarrollado una gran cantidad de métodos para controlar el coste computacional del proceso de codificación. El objetivo de estos métodos es controlar la complejidad del codificador, utilizando para ello una cantidad de recursos específica mientras procuran maximizar la eficiencia del sistema. En esta Tesis, se proponen dos algoritmos dedicados a controlar la complejidad de los estándares H.264/AVC y HEVC. Apoyándose en las propiedades estadísticas de las secuencias de vídeo, demostraremos que los métodos desarrollados son capaces de controlar la complejidad sin incurrir en graves pérdidas de eficiencia de codificación. Además, nuestras propuestas se han diseñado para adaptar su funcionamiento al contenido de la secuencia de vídeo, así como a diferentes complejidades objetivo. Los métodos propuestos han sido ampliamente evaluados y comparados con otros sistemas del estado de la técnica, utilizando para ello una gran variedad de secuencias, resoluciones, y configuraciones de codificación, demostrando que alcanzan resultados superiores a los métodos con los que se han comparado. Adicionalmente, se ha puesto de manifiesto que resultan adecuados para implementaciones prácticas de los estándares de codificación, donde la complejidad computacional es un parámetro clave para el correcto diseño del sistema.