当前,视频压缩技术已经成为国内外研究和工业应用的热点之一。普遍使用的视频压缩标准有MPEG2/4、H.264/AVC和国内新制定的具有自主产权的AVS。随着信道传输技术和信源编码技术的发展,实现更高的压缩比仍然是业界的不断追求。近年来,基于双参考帧运动补偿的视频编码成为研究的一个热点,在双参考帧运动补偿视频编码中,对每个帧有两个参考帧存在,第一个参考帧是最近解码的一帧,叫做短期参考帧;第二个参考帧是以前解码的高质量帧,这个参考帧在编码一定帧后周期性更新,因此叫做长期参考帧。这种编码方式能够带来更大的压缩性能,同时能够满足信道发展带来的需求,比如认知无线电信道或者多通道通信。但双参考帧运动补偿的视频编码目前尚有两个基本问题没有解决-长期参考帧的间隔和比特分配;双参考帧运动补偿的一些应用问题还有待进一步研究,例如抗干扰性能,码率控制及在多视点编码中的拓展等。针对两个没有解决的基本问题,本文做出了理论分析和推导,给出了优化的长期参考帧的间隔和比特分配策略。在应用方面,针对误码信道传输,本文提出了具有抗干扰性能的双参考帧运动补偿框架结构。根据双参考帧运动补偿的技术特点,提出了高效的码率控制策略。最后,将双参考帧运动补偿编码方案从单视点拓展到了多视点,提出了基于扩展的双参考帧运动补偿的多视点编码方案。本文的主要创新点包括:1)双参考帧预测时有两个基本问题需要解决:长期参考帧的间隔和比特分配。在传统的视频编码方案中,每帧分配几乎相同的比特数,但在双参考帧预测时,一般给长期参考帧分配较多的比特。从率失真角度来看,这个长期参考帧的率失真性能会降低,但由于这个帧质量比较高,后面若干帧如果参考这个长期参考帧会带来编码性能的提升,这样以一个帧的质量损失得到后面若干帧的质量增益,整体性能也会提高。但如何决定长期参考帧的间隔和相应的比特分配,这两个问题还没有很好地解决。本文利用信息论中的运动补偿理论,对双参考帧运动补偿编码中的长期参考帧的间隔和比特分配进行了分析,在理论上解决了长期参考帧的间隔选择和优化的比特分配问题,这一研究成果对双参考帧预测的研究具有重要的意义。2)针对在无线信道或网络信道中进行视频传输时,信道受干扰后容易发生丢包的问题,提出了抗干扰的双参考帧运动补偿框架结构。前期的双参考帧运动补偿的抗干扰研究只是将现有的一些差错控制方法引入进行差错抑制,没有很好地利用双参考帧运动补偿这种编码结构特点。本文首先给出了鲁棒的双参考帧运动补偿方案,在不同丢包率情况下,自适应的调整长期参考帧的间隔和比特分配来提高抗干扰能力。而后,进一步给出了抑制差错的双参考帧运动补偿方案,其中从三方面来增强差错抑制能力:第一,为了减少差错的传递,提出了抗干扰的预测结构,当前帧在不同丢包率情况下自适应的选择参考帧,使得差错传递速度大大减小。第二,将宏块信息分为头信息和纹理信息,提出了新的端到端失真模型。第三,作为若干帧的参考帧,长期参考帧比其他帧更为重要,这种情况下,提出了帧级的率失真方案,对长期参考帧进行更多的保护。本文提出的抑制差错的双参考帧运动补偿方案解决了抗干扰问题,使得双参考帧运动补偿视频编码在有损信道下的传输更加鲁棒。3)码率控制在视频编码应用中起到控制码流大小和提高图像质量的作用,这在视频编码中必不可少。传统的码率控制方案是基于每帧有相似的质量,并且当前帧和参考帧有相同的距离,因此不适于双参考帧运动补偿的编码结构。本文从三个方面来解决双参考帧运动补偿的码率控制问题。首先,提出了新的比特分配方法,对高质量帧分配更多的比特,对低质量帧用线性关系分配比特实现平稳的图像质量。其次,由于当前帧的参考帧距离和质量的不同,提出了不同的码率-量化参数模型。最后,提出了自适应的MAD和Overhead预测方法。本文所提出的双参考帧运动补偿的码率控制方案,能精确控制码率,使得双参考帧运动补偿方案从理论研究走向了实际应用。4)在多视点视频编码中,同一个物体的不同镜头的景象同时产生。这个过程中产生大量数据,需要高效的压缩编码。在单路视角的时域上看,短时间内的帧间相关性很强,编码效率还可以提高。从不同路的视间角度看,不同镜头同时从不同的角度捕捉同一个物体对象,大量的冗余信息可以进一步被压缩。本文将双参考帧运动补偿编码方案引入了多视点编码中,从三个方面来提高多视点编码性能:首先,在单视点中,提出了增强的双参考帧运动补偿方案。其次,提出了增强的视间预测,一个视点中的高质量帧用作其他视点的长期参考帧。最后,提出了多视点中的比特分配方案。本文提出的基于双参考帧运动补偿的多视点编码,性能优于现有的多视点编码方案,使得双参考帧运动补偿方案的应用从单视点拓展到了多视点领域。