Low-Complexity Context-Based Motion Compensation for VLBR Video Encoding

A significant improvement of block-based motion estimation strategies is presented, which provides fast computation and very low bitrate coding. For each block, a spatio-temporal context is defined based on nearest neighbors in the current and previous frames, and a prediction list is built. Then, the best matching vector within the list is chosen as an estimation of the block motion. Since coder and decoder are synchronous, only the index of the selected vector is needed at the decoder to reconstruct the motion field. To avoid the propagation of the error, an additional correction vector can be sent when prediction error exceeds a threshold. Furthermore, bitrate saving is achieved through an adaptive sorting of the prediction list of each block, which allows to reduce the entropy of the motion indexes. Tests demonstrate that the proposed method ensures a speed up over 1:200 as compared to full search, and a coding gain above 2, with a negligible loss of accuracy. This allows real-time implementation of VLBR software video coders on conventional PC platforms

Temporal video transcoding from H.264/AVC-to-SVC for digital TV broadcasting

Mobile digital TV environments demand flexible video compression like scalable video coding (SVC) because of varying bandwidths and devices. Since existing infrastructures highly rely on H.264/AVC video compression, network providers could adapt the current H.264/AVC encoded video to SVC. This adaptation needs to be done efficiently to reduce processing power and operational cost. This paper proposes two techniques to convert an H.264/AVC bitstream in Baseline (P-pictures based) and Main Profile (B-pictures based) without scalability to a scalable bitstream with temporal scalability as part of a framework for low-complexity video adaptation for digital TV broadcasting. Our approaches are based on accelerating the interprediction, focusing on reducing the coding complexity of mode decision and motion estimation tasks of the encoder stage by using information available after the H. 264/AVC decoding stage. The results show that when our techniques are applied, the complexity is reduced by 98 % while maintaining coding efficiency

An efficient rate control algorithm for a wavelet video codec

Rate control plays an essential role in video coding and transmission to provide the best video quality at the receiver's end given the constraint of certain network conditions. In this paper, a rate control algorithm using the Quality Factor (QF) optimization method is proposed for the wavelet-based video codec and implemented on an open source Dirac video encoder. A mathematical model which we call Rate-QF (R - QF) model is derived to generate the optimum QF for the current coding frame according to the target bitrate. The proposed algorithm is a complete one pass process and does not require complex mathematical calculation. The process of calculating the QF is quite simple and further calculation is not required for each coded frame. The experimental results show that the proposed algorithm can control the bitrate precisely (within 1% of target bitrate in average). Moreover, the variation of bitrate over each Group of Pictures (GOPs) is lower than that of H.264. This is an advantage in preventing the buffer overflow and underflow for real-time multimedia data streaming

Analysis of affine motion-compensated prediction and its application in aerial video coding

Motion-compensated prediction is used in video coding standards like High Efficiency Video Coding (HEVC) as one key element of data compression. Commonly, a purely translational motion model is employed. In order to also cover non-translational motion types like rotation or scaling (zoom) contained in aerial video sequences such as captured from unmanned aerial vehicles, an affine motion model can be applied. In this work, a model for affine motion-compensated prediction in video coding is derived by extending a model of purely translational motion-compensated prediction. Using the rate-distortion theory and the displacement estimation error caused by inaccurate affine motion parameter estimation, the minimum required bit rate for encoding the prediction error is determined. In this model, the affine transformation parameters are assumed to be affected by statistically independent estimation errors, which all follow a zero-mean Gaussian distributed probability density function (pdf). The joint pdf of the estimation errors is derived and transformed into the pdf of the location-dependent displacement estimation error in the image. The latter is related to the minimum required bit rate for encoding the prediction error. Similar to the derivations of the fully affine motion model, a four-parameter simplified affine model is investigated. It is of particular interest since such a model is considered for the upcoming video coding standard Versatile Video Coding (VVC) succeeding HEVC. As the simplified affine motion model is able to describe most motions contained in aerial surveillance videos, its application in video coding is justified. Both models provide valuable information about the minimum bit rate for encoding the prediction error as a function of affine estimation accuracies. Although the bit rate in motion-compensated prediction can be considerably reduced by using a motion model which is able to describe motion types occurring in the scene, the total video bit rate may remain quite high, depending on the motion estimation accuracy. Thus, at the example of aerial surveillance sequences, a codec independent region of interest- ( ROI -) based aerial video coding system is proposed that exploits the characteristic of such sequences. Assuming the captured scene to be planar, one frame can be projected into another using global motion compensation. Consequently, only new emerging areas have to be encoded. At the decoder, all new areas are registered into a so-called mosaic. From this, reconstructed frames are extracted and concatenated as a video sequence. To also preserve moving objects in the reconstructed video, local motion is detected and encoded in addition to the new areas. The proposed general ROI coding system was evaluated for very low and low bit rates between 100 and 5000 kbit/s for aerial sequences of HD resolution. It is able to reduce the bit rate by 90% compared to common HEVC coding of similar quality. Subjective tests confirm that the overall image quality of the ROI coding system exceeds that of a common HEVC encoder especially at very low bit rates below 1 Mbit/s. To prevent discontinuities introduced by inaccurate global motion estimation, as may be caused by radial lens distortion, a fully automatic in-loop radial distortion compensation is proposed. For this purpose, an unknown radial distortion compensation parameter that is constant for a group of frames is jointly estimated with the global motion. This parameter is optimized to minimize the distortions of the projections of frames in the mosaic. By this approach, the global motion compensation was improved by 0.27dB and discontinuities in the frames extracted from the mosaic are diminished. As an additional benefit, the generation of long-term mosaics becomes possible, constructed by more than 1500 aerial frames with unknown radial lens distortion and without any calibration or manual lens distortion compensation.Bewegungskompensierte Prädiktion wird in Videocodierstandards wie High Efficiency Video Coding (HEVC) als ein Schlüsselelement zur Datenkompression verwendet. Typischerweise kommt dabei ein rein translatorisches Bewegungsmodell zum Einsatz. Um auch nicht-translatorische Bewegungen wie Rotation oder Skalierung (Zoom) beschreiben zu können, welche beispielsweise in von unbemannten Luftfahrzeugen aufgezeichneten Luftbildvideosequenzen enthalten sind, kann ein affines Bewegungsmodell verwendet werden. In dieser Arbeit wird aufbauend auf einem rein translatorischen Bewegungsmodell ein Modell für affine bewegungskompensierte Prädiktion hergeleitet. Unter Verwendung der Raten-Verzerrungs-Theorie und des Verschiebungsschätzfehlers, welcher aus einer inexakten affinen Bewegungsschätzung resultiert, wird die minimal erforderliche Bitrate zur Codierung des Prädiktionsfehlers hergeleitet. Für die Modellierung wird angenommen, dass die sechs Parameter einer affinen Transformation durch statistisch unabhängige Schätzfehler gestört sind. Für jeden dieser Schätzfehler wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung einer mittelwertfreien Gaußverteilung entspricht. Aus der Verbundwahrscheinlichkeitsdichte der Schätzfehler wird die Wahrscheinlichkeitsdichte des ortsabhängigen Verschiebungsschätzfehlers im Bild berechnet. Letztere wird schließlich zu der minimalen Bitrate in Beziehung gesetzt, welche für die Codierung des Prädiktionsfehlers benötigt wird. Analog zur obigen Ableitung des Modells für das voll-affine Bewegungsmodell wird ein vereinfachtes affines Bewegungsmodell mit vier Freiheitsgraden untersucht. Ein solches Modell wird derzeit auch im Rahmen der Standardisierung des HEVC-Nachfolgestandards Versatile Video Coding (VVC) evaluiert. Da das vereinfachte Modell bereits die meisten in Luftbildvideosequenzen vorkommenden Bewegungen abbilden kann, ist der Einsatz des vereinfachten affinen Modells in der Videocodierung gerechtfertigt. Beide Modelle liefern wertvolle Informationen über die minimal benötigte Bitrate zur Codierung des Prädiktionsfehlers in Abhängigkeit von der affinen Schätzgenauigkeit. Zwar kann die Bitrate mittels bewegungskompensierter Prädiktion durch Wahl eines geeigneten Bewegungsmodells und akkurater affiner Bewegungsschätzung stark reduziert werden, die verbleibende Gesamtbitrate kann allerdings dennoch relativ hoch sein. Deshalb wird am Beispiel von Luftbildvideosequenzen ein Regionen-von-Interesse- (ROI-) basiertes Codiersystem vorgeschlagen, welches spezielle Eigenschaften solcher Sequenzen ausnutzt. Unter der Annahme, dass eine aufgenommene Szene planar ist, kann ein Bild durch globale Bewegungskompensation in ein anderes projiziert werden. Deshalb müssen vom aktuellen Bild prinzipiell nur noch neu im Bild erscheinende Bereiche codiert werden. Am Decoder werden alle neuen Bildbereiche in einem gemeinsamen Mosaikbild registriert, aus dem schließlich die Einzelbilder der Videosequenz rekonstruiert werden können. Um auch lokale Bewegungen abzubilden, werden bewegte Objekte detektiert und zusätzlich zu neuen Bildbereichen als ROI codiert. Die Leistungsfähigkeit des ROI-Codiersystems wurde insbesondere für sehr niedrige und niedrige Bitraten von 100 bis 5000 kbit/s für Bilder in HD-Auflösung evaluiert. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen HEVC-Codierung kann die Bitrate um 90% reduziert werden. Durch subjektive Tests wurde bestätigt, dass das ROI-Codiersystem insbesondere für sehr niedrige Bitraten von unter 1 Mbit/s deutlich leistungsfähiger in Bezug auf Detailauflösung und Gesamteindruck ist als ein herkömmliches HEVC-Referenzsystem. Um Diskontinuitäten in den rekonstruierten Videobildern zu vermeiden, die durch eine durch Linsenverzeichnungen induzierte ungenaue globale Bewegungsschätzung entstehen können, wird eine automatische Radialverzeichnungskorrektur vorgeschlagen. Dabei wird ein unbekannter, jedoch über mehrere Bilder konstanter Korrekturparameter gemeinsam mit der globalen Bewegung geschätzt. Dieser Parameter wird derart optimiert, dass die Projektionen der Bilder in das Mosaik möglichst wenig verzerrt werden. Daraus resultiert eine um 0,27dB verbesserte globale Bewegungskompensation, wodurch weniger Diskontinuitäten in den aus dem Mosaik rekonstruierten Bildern entstehen. Dieses Verfahren ermöglicht zusätzlich die Erstellung von Langzeitmosaiken aus über 1500 Luftbildern mit unbekannter Radialverzeichnung und ohne manuelle Korrektur

Scalable video transcoding for mobile communications

Mobile multimedia contents have been introduced in the market and their demand is growing every day due to the increasing number of mobile devices and the possibility to watch them at any moment in any place. These multimedia contents are delivered over different networks that are visualized in mobile terminals with heterogeneous characteristics. To ensure a continuous high quality it is desirable that this multimedia content can be adapted on-the-fly to the transmission constraints and the characteristics of the mobile devices. In general, video contents are compressed to save storage capacity and to reduce the bandwidth required for its transmission. Therefore, if these compressed video streams were compressed using scalable video coding schemes, they would be able to adapt to those heterogeneous networks and a wide range of terminals. Since the majority of the multimedia contents are compressed using H.264/AVC, they cannot benefit from that scalability. This paper proposes a technique to convert an H.264/AVC bitstream without scalability to a scalable bitstream with temporal scalability as part of a scalable video transcoder for mobile communications. The results show that when our technique is applied, the complexity is reduced by 98 % while maintaining coding efficiency