CN100477796C - 用于视频转换的变换系数块的转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种8×8离散余弦变换(DCT)系数块直接转换到4个4×4整数变换系数块的转换方法。该方法包括如下步骤：1)将缩放矩阵结合到MPEG-2反量化矩阵中去；2)根据置换矩阵对上一步骤1)的MPEG-2反量化过程获得的8×8 DCT块进行位置调整；3)将调整后的8×8 DCT块转换为4个4×4整数变换系数块。本发明的优点是保持视频质量、降低系数转换操作的计算复杂度。

Description

用于视频转换的变换系数块的转换方法

技术领域

本发明涉及一种用于视频转换的变换系数块的转换方法，特别涉及将一个8×8离散余弦变换(DCT)系数块直接转换到4个4×4整数变换系数块的转换方法。

背景技术

H.264是由ISO/IEC和ITU联合研究并制定的最新国际视频标准。由于H.264标准极大地提高了视频压缩效率，它将在视频通信、高清晰电视、DVD和数字摄像机(DVR)、压缩视频存储、视频数据库以及未来的移动视频通信等领域获得广泛应用。MPEG-2是目前应用的最为广泛地视频编码标准。为了保护媒体服务商对MPEG-2的软硬件投资以及利用已经采用MPEG-2标准压缩的视频资源，需要使用转码器来完成MPEG-2到H.264视频流的转换。由于H.264视频编码标准采用的是4阶整数变换方法来获得变换系数。这种整数变换是DCT变换的一种近似，但它将DCT变换中的浮点运算改为整数运算，同时，对更小的数据块(4×4)进行处理。这与MPEG-2采用8阶DCT变换来获得变换系数的方法存在巨大的差别。在压缩域MPEG-2到H.264转码过程中，MPEG-2 8×8 DCT系数块转换为H.264 4×4整数变换系数块是其中必需的操作。采用Jun Xin提出的转换矩阵实现系数块转换操作复杂度太高，参见文献1：J.Xin，A.Vetro and H.Sun，“Converting DCT coefficients to H.264/AVC transformcoefficients，”IEEE Pacific-Rim Conference on Multimedia(PCM)，Lecture Notes inComputer Science，ISSN：0302-9743，November 2004，Vol.3332/2004 pp.939.中公开的方法。

把MPEG-2 8阶DCT系数块转换到H.264 4×4整数变换系数块是MPEG-2到H.264转码过程中的必需操作。降低系数转换操作的计算复杂度，对于实现实时MPEG-2到H.264转码有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术实现系数块转换操作复杂度太高的不足，从而提供一种操作复杂度低的用于视频转换的变换系数块的转换方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于视频转换的变换系数块的转换方法，包括如下步骤：

1)将缩放矩阵D结合到MPEG-2反量化矩阵中去；即将对角矩阵D与MPEG-2反量化矩阵相乘获得结果矩阵替换原来的MPEG-2反量化矩阵。也就是MPEG-2反量化过程采用了结果矩阵作为新的反量化矩阵。

2)根据置换矩阵P对上一步骤1)的MPEG-2反量化过程获得的8×8 DCT块进行位置调整；相当于8×8 DCT左乘P矩阵，然后再右乘P的转置矩阵。

3)将调整后的8×8 DCT块转换为4个4×4整数变换系数块。

进一步地，上述步骤3)中所用转换矩阵为S^d(B₁B₂)^T，其中：

$B_1{B}_2=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& -1& 1\\ 0& 0& 0& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right)$

$S^d=\left(\begin{array}{cccccccc}4& 0& 0& 0& a& b& c& 1\\ 0& 0& d& 4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& -b& 0& 1\\ 0& 0& -b& 2& g& 0& -h& 1\\ 4& 0& 0& 0& -a& -b& -c& -1\\ 0& 0& -d& -4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& b& 0& -1\\ 0& 0& b& -2& g& 0& -h& 1\end{array}\right)$

且此处a＝1.0824，b＝1.4142，c＝2.6132，d＝4.2426，e＝3.9198，f＝1.6236，g＝1.3066，h＝0.5412。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)提出了将一个MPEG-2 8×8离散余弦(DCT)系数块直接转换到4个H.264 4×4整数变换系数块的新转换矩阵。

2)结合新转换矩阵中的缩放矩阵到MPEG-2反量化矩阵，避免了缩放操作的单独计算。

3)保持视频质量，降低系数转换操作的计算复杂度；新转换矩阵系数对比域Jun xin的转换矩阵更加稀疏，减少了将一个8×8 DCT系数块转换为4个4×4整数变换系数块所需要的操作数。与Jun xin方法在逻辑功能上完全相同，不是系数块转换的近似算法。

附图说明

图1是本发明将8×8DCT系数块转换到4个4×4整数变换系数块系数块转换过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一个8×8 DCT系数块转换为4个4×4整数变换系数块的具体转换过程如图1所示，其具体步骤为：

1)将缩放矩阵D结合到MPEG-2反量化矩阵中去，即将对角矩阵D与MPEG-2反量化矩阵相乘获得结果矩阵替换原来的MPEG-2反量化矩阵。也就是MPEG-2反量化过程采用了结果矩阵作为新的反量化矩阵；其中：

$D=\left(\begin{array}{cccccccc}a& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& c& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& d& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& e& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& g& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& h\end{array}\right)$

(此处a＝0.3536，b＝0.2549，c＝0.2706，d＝0.3007，e＝0.3536，f＝0.4500，g＝0.6533，h＝1.2814)

2)根据置换矩阵P对上一步骤1)的MPEG-2反量化过程获得的8×8 DCT块进行位置调整；相当于8×8 DCT左乘P矩阵，然后再右乘P的转置矩阵；其中：

$P=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$

3)采用新转换矩阵S^d(B₁B₂)^T来转换上一步骤2)调整后的8×8 DCT块为4个4×4整数变换系数块。也就是调整后的8×8 DCT块左乘上S^d(B₁B₂)^T矩阵，然后右乘上S^d(B₁B₂)^T的转置矩阵；其中，

$B_1{B}_2=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& -1& 1\\ 0& 0& 0& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right)$

$S^d=\left(\begin{array}{cccccccc}4& 0& 0& 0& a& b& c& 1\\ 0& 0& d& 4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& -b& 0& 1\\ 0& 0& -b& 2& g& 0& -h& 1\\ 4& 0& 0& 0& -a& -b& -c& -1\\ 0& 0& -d& -4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& b& 0& -1\\ 0& 0& b& -2& g& 0& -h& 1\end{array}\right)$

(此处a＝1.0824，b＝1.4142，c＝2.6132，d＝4.2426，e＝3.9198，f＝1.6236，g＝1.3066，h＝0.5412)。

为了便于理解本发明，下面介绍本发明的原理：

①上述新转换矩阵的推导：

如图1所示，X表示一个8×8 DCT系数块，其对应的8×8 H.264整数变换系数块为Z。Z包含4个4×4 H.264整数变换系数块Z₁₁、Z₁₂、Z₂₁、Z₂₂，即 $Z=\left(\begin{array}{cc}{Z}_{11}& Z_{12}\\ Z_{21}& Z_{22}\end{array}\right).$ X直接转换到Z可以表示为：

Z＝S×X×S^T

其中矩阵S表示Jun Xin提出的系数转换矩阵，S^T是S的转置矩阵。

$S=\left(\begin{array}{cc}H& 0\\ 0& H\end{array}\right)\×T_8^T=K\×T_8^T$

T₈表示8阶DCT变换矩阵。K表示矩阵： $K=\left(\begin{array}{cc}H& 0\\ 0& H\end{array}\right).$ H表示4阶H.264整数变换矩阵 $H=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 2& 1& -1& -2\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -2& 2& -1\end{array}\right).$

利用Arai，Agui，and Nakajima在1988年提出快速DCT变换实现方法(AAN算法)对S进行分子化。即T₈可以表示为：T₈＝DPB₁B₂MA₁A₂A₃，有：

$P=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$ $D=\left(\begin{array}{cccccccc}a& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& c& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& d& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& e& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& g& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& h\end{array}\right)$

(此处a＝0.3536，b＝0.2549，c＝0.2706，d＝0.3007，e＝0.3536，f＝0.4500，g＝0.6533，h＝1.2814)

因为D＝D^T，P＝P^T，故有：

定义 $S^d=K\×{A_3}^T{A_2}^T{A_1}^T{M}^T,$ 从而S可以表示为：

S＝S^d×(B₁B₂)^T×P×D

这表示MPEG-2 8阶系数转换到H.264 4阶整数变换系数转换可以采用作为S^d×(B₁B₂)^T转换矩阵来进行。

$B_1{B}_2=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& -1& 1\\ 0& 0& 0& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right)$

$S^d=\left(\begin{array}{cccccccc}4& 0& 0& 0& a& b& c& 1\\ 0& 0& d& 4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& -b& 0& 1\\ 0& 0& -b& 2& g& 0& -h& 1\\ 4& 0& 0& 0& -a& -b& -c& -1\\ 0& 0& -d& -4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& b& 0& -1\\ 0& 0& b& -2& g& 0& -h& 1\end{array}\right)$

(此处a＝1.0824，b＝1.4142，c＝2.6132，d＝4.2426，e＝3.9198，f＝1.6236，g＝1.3066，h＝0.5412)

②计算过程：

D为对角矩阵(其作用相当于缩放，也称为缩放矩阵)可以吸收到MPEG-2反量化矩阵，从而缩放功能可以与MPEG-2反量化过程结合起来计算，不需要单独计算。P为置换矩阵其计算仅仅导致变换系数位置的变化，其计算可以省略。从而系数转换过程只需要与S^d×(B₁B₂)^T相乘。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1、一种用于视频转换的变换系数块的转换方法，包括如下步骤：

1)将缩放矩阵结合到MPEG-2反量化矩阵中；

所述的结合方式是将对角矩阵D与MPEG-2反量化矩阵相乘获得结果矩阵替换原来的MPEG-2反量化矩阵；也就是MPEG-2反量化过程采用了结果矩阵作为新的反量化矩阵；其中：

$D=\left(\begin{array}{cccccccc}a& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& c& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& d& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& e& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& g& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& h\end{array}\right)$

此处a＝0.3536，b＝0.2549，c＝0.2706，d＝0.3007，e＝0.3536，f＝0.4500，g＝0.6533，h＝1.2814；

2)根据置换矩阵P对上一步骤1)的MPEG-2反量化过程获得的8×8离散余弦变换块进行位置调整；

上述用于位置调整的置换矩阵为P，P的取值如下：

$P=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$

3)将调整后的8×8离散余弦变换块转换为4个4×4整数变换系数块；

采用调整后的8×8DCT块左乘上S^d(B₁B₂)^T矩阵，然后右乘上S^d(B₁B₂)^T的转置矩阵；其中，

$B_1{B}_2=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& -1& 1\\ 0& 0& 0& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right)$

$S^d=\left(\begin{array}{cccccccc}4& 0& 0& 0& a& b& c& 1\\ 0& 0& d& 4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& -b& 0& 1\\ 0& 0& -b& 2& g& 0& -h& 1\\ 4& 0& 0& 0& -a& -b& -c& -1\\ 0& 0& -d& -4& -e& 0& f& 2\\ 0& 4& 0& 0& 0& b& 0& -1\\ 0& 0& b& -2& g& 0& -h& 1\end{array}\right)$

此处a＝1.0824，b＝1.4142，c＝2.6132，d＝4.2426，e＝3.9198，f＝1.6236，g＝1.3066，h＝0.5412。

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