ICME2021：基于机器学习的VVC帧内编码码率控制

Posted 2021-07-31 Dillon2015

本文来自ICME论文《MACHINE LEARNING-BASED RATE DISTORTION MODELING FOR VVC/H.266INTRA-FRAME 》

文章提出利用4种传统机器学习模型构建VVC帧内编码帧的RD模型。

RD模型

Fig.1是整个算法的流程。首先，从输入序列提取特征。然后，利用模型调整帧内编码帧的RDO。重复以上过程直到整个序列编码完。

RDO可以描述为在给定码率下使得失真最小，如下式，

在构建RD模型时除了要考虑码率，还需要考虑视频内容。本文提出了基于机器学习的RD模型，如下式，

式中Do是最优的失真，P(.)是基于学习的RD模型，F是和视频内容相关的特征向量。

Fig.2是RD模型的优化过程。

特征选择

文章使用多尺度各向异性方向导数（multi-scale anisotropic directional derivative，ADD）滤波器来提取帧内编码帧的特征。ADD可以提取边缘和角点处的各向异性强度变化特征。

帧内编码帧I在角度θ  上的ADD特征为：

其中⊗  表示卷积操作。I(i,j)表示亮度通道在(i,j)处的像素值。psi(θ)是ADD滤波器。

文章提取了4个ADD特征：

（1）F_mean：为了描述I的强度，在水平和垂直方向上计算F_ADD的均值：

（2）F_max：F_max是两个方向的F_ADD最大值，F_max越大表示该帧水平或垂直方向性更强：

（3）F_min：F_min是两个方向的F_ADD最小值，F_min越小表示该帧水平或垂直方向越平坦：

（4）F_var：F_var(θ)反映I在方向θ的平坦性，F_var反映I的整体平坦性：

为了展示以上特征和码率的关系，Fig.3画出了实际编码比特数和ADD特征的关系，使用的序列为“Campfire”，QP=27。

可以看见ADD特征和码率有很强的相关性。最终视频内容特征F定义如下：

机器学习实现

使用4个传统的机器学习算法来训练P(R_t,F)模型。SVR(Support Vector Regression)、RFR(Random Forest Regression )、GPR(Gaussian Process Regression)、ANN(Artificial Neural Networks)，训练预测模型P(.)，特征为(R_t,F)，label为D_o。

数据集：训练数据包括41条序列，每条序列的最后20帧用于训练模型。测试序列是VVC标准的26个序列的前20帧。

训练：整个训练过程如Fig.1所示。每条序列使用4个QP（22、27、32、37）编码以获得RD cost作为label。使用4种机器学习方法训练P(R_t,F)预测模型。

为了获取VVC中最优的label D_o，采用多QP优化。设置4个初始QP_initial，然后搜索它周围的13个QP（QP_initial-6到QP_initial+6），为每个CTU选择最优的QP以使RD cost最小，称为optimal R-D model 。

起始I帧的码率控制

起始I帧（IDR帧）无法利用之前的码率控制信息，给定目标码率R_t，使用拉格朗日乘子模型，

实验中SVR模型使用RBF作为核函数，参数gamma=8，C=4，epsilon=0.0078。RFR模型有80棵树，最大深度16。GPR模型超参数为（0.1，10）。ANN模型层结构为5x15x30x1。

实验结果

实验平台为VTM7.0，测试序列为VVC的26条序列，使用All-intra配置，编码器参数T emporalSubsampling 设为1。每天序列设置的码率由4个固定QP（22，27，32，37）编码结果获得。为了确保当前的帧内编码帧不能获取之前的帧的参考信息，编码过程中模型参数和每帧的目标比特数不更新。

RD效果

Fig.4展示了4条序列的结果。可以看见本文算法效果与optimal R-D model相近，优于VTM7.0。但是多QP优化复杂度高很难实际应用，所以本文算法在计算复杂度和编码效果上达到更好的平衡。

表1是初始I帧码率控制的结果。

Fig.5是两条序列的码率波动情况，可以看见基于学习的方法的码率更接近目标码率。

Fig.6是亮度分量的PSNR变化，可以看见GPR和ANN的PSNR更稳定。Fig.7是主观效果，4种机器学习模型要优于VTM7.0。

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