CN100571390C - 一种h264视频编码快速模式选择方法和装置 - Google Patents
一种h264视频编码快速模式选择方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种H264视频编码快速模式选择方法和装置，方法包括：对于帧内模式选择，根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，以减少候选模式的数量，并通过“码率—失真度优化”的方式确定最后的选定模式；对于帧间模式选择，将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式以减少候选模式的数量，并通过“码率—失真度优化”的方式确定最后的选定模式。本发明可以减少候选模式的数量，解决现有技术中因编码复杂度过高、运算量过大、耗时过多而造成的应用限制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及视频编码模式的选择方法，特别是涉及一种H264视频编码快速模式选择方法和装置。
背景技术
同人们熟悉的H.263相比，H.264标准下的视频图像质量更好，同时编码效率可以提高50％以上，并且具有更好的容错能力，这使得它在未来的视频通信领域具有广泛的应用前景。然而现有技术中H.264/AVC编码技术是有缺陷的。这是因为，依据H.264/AVC中码率失真度优化(RDO)的定义，对视频序列进行编码时，对帧图像必须使用所有的预测模式各测试一遍，然后找到一个从RDO角度来讲最佳的预测模式，使得编码计算的复杂度大幅增加，增大编码耗时，使得H.264/AVC的实时性变差。
因此，尽管率失真优化可以带来非常好的编码性能，但是对于编码时所有模式的搜索消耗大量时间，这使得H.264编码器很难用于实时业务。很多快速的运动估计和模式决定的方法被提出用于改善这个情况，比如2004年多媒体国际会议(ICME2004)中发表的《帧内模式预测》，以及2004年图像处理国际会议中发表的《H.264中低复杂度的宏块模式预测》和《H.264中自适应门限值的帧间预测模式选择》中，提出了利用门限值提前终止的算法，用来减少对于候选预测模式的搜索。
然而这些快速实现的模式选择方法依然有缺陷，主要体现在对于优选的预测模式的选择仍然过于复杂，需要进行相对较多的计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种H264视频编码快速模式选择方法和装置，解决现有技术中因编码复杂度过高、运算量过大、耗时过多而造成的应用限制的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种H264视频编码快速模式选择方法，其中，包括如下步骤：
步骤一、对于帧内模式选择，根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；
步骤二、对于帧间模式选择，将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式。
上述的方法，其中，在所述步骤二中，在选择不同精细度的预测方式后，还通过宏块的帧间运动的方向信息来减少候选模式的数量。
上述的方法，其中，所述步骤二包括：
步骤a，根据图像信息或用户输入，确定全局预测门限值TV和局部预测门限值PV；
步骤b，将图像的每一帧划分成作为基本编码单元的16×16像素大小的宏块；
步骤c，对目标宏块进行16×16像素大小的全搜索，找到最佳的匹配块，将目标宏块和最佳匹配块进行比较，得到目标宏块的全局对应象素点的绝对差之和T-SAD；
步骤d，判断T-SAD是否小于TV，是则执行步骤e，否则执行步骤g；
步骤e，说明16×16像素大小的全搜索已经可以满足图像质量的要求，对该目标宏块进行粗精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后在16×16像素的精细度下结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程；
步骤g，说明16×16像素大小的全搜索并不能满足图像质量的要求，对该目标宏块进行细精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程。
上述的方法，其中，在所述步骤e中，所述粗精度的预测方式包括：将目标宏块划分为能体现方向信息的两个16×8子块和两个8×16子块，计算四个子块的对应象素点的绝对差之和SAD，并选出两个16×8子块中的SAD最大值MAX16×8和两个8×16子块中的SAD最大值MAX8×16，选取MAX16×8和MAX8×16中数值较小的所对应的候选模式。
上述的方法，其中，所述步骤g包括：
步骤g1，将当前宏块进一步划分为4个8×8像素大小的子块，并在全搜索的基础上进行局部范围的搜索找到各子块的最佳匹配块，将目标子块和最佳匹配块进行比较，得到该目标子块的局部对应象素点的绝对差之和P-SAD；
步骤g2，判断P-SAD是否小于PV，是则执行步骤g3，否则执行步骤g4；
步骤g3，说明8×8像素大小的搜索已经可以满足图像质量的要求，将8×8像素大小的目标子块划分为能体现方向信息的两个8×4子块和两个4×8子块，计算四个子块的对应象素点的绝对差之和SAD，并选出两个8×4子块中的SAD最大值MAX8×4和两个4×8子块中的SAD最大值MAX4×8，选取MAX8×4和MAX4×8中数值小的所对应的候选模式，然后在8×8像素的精细度下结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间的模式选择流程；
步骤g4，说明8×8像素大小的搜索并不能满足图像质量的要求，所以只能对该目标子块采用精细的4×4预测方式，进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间的模式选择流程。
上述的方法，其中，在所述步骤一中，在选择不同精细度的预测方式后，还通过当前宏块的方向矢量信息来减少候选模式的数量。
上述的方法，其中，所述步骤一包括：
步骤A，根据图像信息或用户输入，确定预测门限值VH；
步骤B，将图像的每一帧划分成作为基本编码单元的16×16像素大小的宏块；
步骤C，计算目标宏块内部图像信息的变化激烈程度VT；
步骤D，判断VT的值是否大于VH，是则执行步骤E，否则执行步骤F
步骤E，说明宏块内部图像信息的变化剧烈，采用细精度的4×4预测方式，计算当前4×4像素大小的子块的局部方向矢量P-DV，根据方向矢量的信息得出最有可能的两种候选模式，然后同DC候选模式一起进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧内的模式选择流程；
步骤F，说明宏块内部图像信息的变化平缓，采用粗精度的16×16预测方式，计算当前16×16像素大小的宏块的全局方向矢量T-DV，根据方向矢量的信息得出最有可能的两种候选模式，然后同DC候选模式一起进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧内的模式选择流程。
为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种H264视频编码快速模式选择装置，其中，包括：帧内模式选择模块，用于：根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；帧间模式选择模块，用于：将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式。
本发明的优点在于：
1)本发明根据宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，可以减少帧内模式选择中的候选模式的数量，进而减少了运算量。
2)本发明将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式，从而减少了帧间模式选择中的候选模式的数量，进而减少了运算量。
3)本发明还通过宏块的帧间运动的方向信息来减少帧间模式选择中的候选模式的数量。
4)本发明还通过当前宏块的方向矢量信息来减少帧内模式选择中的候选模式的数量。
5)本发明不但有帧内的模式选择还有帧间的模式选择，本发明应用于H.264/AVC标准，可以有效的减少4×4大小的候选模式的数目，是一种能有效的减少运算量和运算时间的视频编码方法。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图；
图2为本发明提供的自适应帧间预测模式选择算法流程图；
图3为本发明中宏块的四个参数的含义示意图；
图4为本发明提供的自适应帧内预测模式选择算法流程图。
具体实施方式
本发明提出了一种H264视频编码快速模式选择方法，图1为本发明方法的步骤流程图，如图，本发明分为帧内算法流程101和帧间算法流程102两个部分。在快速帧间模式选择算法中，本发明使用当前帧和参考帧对应宏块的对应象素点的绝对差之和(SAD，Sum of Absolute Difference)作为相关性的判断，把宏块划分为不同精细度的模式；然后根据宏块的帧间运动的方向信息，进一步获得优选的预测模式，最后在优选的预测模式中使用码率-失真度优化(RDO)，从而确定最佳模式。而对于快速帧内模式选择算法，本发明可以首先根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈来选择不同精细度的预测模式，并且可以根据当前宏块的方向矢量信息，从中选择出最有可能的几种预测模式，然后对这些优选出来的预测模式进行“码率-失真度优化”(RDO)算法选择出最佳模式。
图2为本发明提供的自适应帧间预测模式选择算法流程图，如图，帧间模式选择算法主要包括以下步骤：
步骤201.根据图像信息或用户输入，确定全局预测门限值TV和局部预测门限值PV；
步骤202.将图像的每一帧划分成为基本的编码单元，即16×16像素大小的宏块；
步骤203.对其中的目标宏块进行16×16像素大小的全搜索，找到最佳的匹配块，将目标宏块和最佳匹配块进行比较，得到该目标宏块的全局SAD值(T-SAD)；
步骤204.判断T-SAD的值是否小于TV，是则执行步骤205，否则执行步骤207；
步骤205，如果T-SAD的值小于TV，说明16×16像素大小的全搜索已经可以满足图像质量的要求，所以只需要接着对该目标宏块进行粗精度的模式选择，即从16×16，16×8，8×16模式中选择一个最合适的；
步骤206，对于目标宏块粗精度的模式选择，首先按照图3所示分别计算目标宏块的上半部分、下半部分、左半部分和右半部分所对应的四个SAD值，并分别得出在上/下、左/右这两种模式下的SAD的最大值，表示为MAX16×8和MAX8×16，然后比较并选出MAX16×8和MAX8×16中较小的所对应的模式，说明在该模式下如果进行运动搜索和运动补偿会取得更好的效果。然后就选择16×16和该模式进行码率-失真度优化(RDO)算法，选择出最佳模式，转步骤213。
步骤207，如果T-SAD的值大于TV，说明16×16像素大小的全搜索并不能满足图像质量的要求，所以还需要接着对该目标宏块进行更细精度的模式选择，即从8×8，4×8，8×4，4×4模式中选择一个最合适的；
步骤208，对于目标宏块细精度的模式选择，将当前宏块进一步划分为4个8×8像素大小的子块；
步骤209，在全搜索的基础上进行小范围的搜索找到各自最佳的匹配块，将目标子块和最佳匹配块进行比较，得到该目标子块的局部SAD值(P-SAD)；
步骤210，判断P-SAD的值是否小于PV，是则执行步骤211，否则执行步骤212；
步骤211，如果P-SAD的值小于PV，说明8×8像素大小的搜索已经可以满足图像质量的要求，所以只需要接着对该目标子块进行粗精度的模式选择，即从8×8，8×4，4×8模式中选择一个最合适的；
对于目标子块粗精度的模式选择，按照图3所示分别计算目标子块(8×8像素大小)的上半部分、下半部分、左半部分和右半部分所对应的四个SAD值，并分别得出在上/下、左/右这两种模式下的SAD的最大值，表示为MAX8×4和MAX4×8，然后比较并选出MAX8×4和MAX4×8中较小的所对应的模式，说明在该模式下如果进行运动搜索和运动补偿会取得更好的效果。然后就选择8×8和该模式进行码率-失真度优化(RDO)算法，选择出最佳模式，转步骤213。
步骤212，如果P-SAD的值大于PV，说明8×8像素大小的搜索并不能满足图像质量的要求，所以只能对该目标子块采用最精细的模式，即4×4模式，转步骤213。
步骤213，完成目标宏块的帧间模式选择。
图4为本发明提供的自适应帧内预测模式选择算法流程图。如图，快速帧内模式选择算法主要包括以下步骤：
步骤401.根据图像信息或用户输入，确定预测门限值VH；
步骤402.将图像的每一帧划分成为基本的编码单元，即16×16像素大小的宏块；
步骤403.计算目标宏块内部图像信息的变化激烈程度，用VT表示；
步骤404.判断VT的值是否大于VH，是则执行步骤405，否则执行步骤408；
步骤405，如果VT的值大于VH，说明宏块内部图像信息的变化剧烈，就需要采用细精度的预测模式，即4×4预测模式；
步骤406.如果采用细精度的预测模式，即4×4预测模式，就计算当前子块(4×4像素大小)的局部方向矢量P-DV；
步骤407.根据方向矢量的信息得出最有可能的2种候选预测模式，转步骤411；
步骤408.如果VT的值小于VH，说明宏块内部图像信息的变化不大，就可以采用粗精度的预测模式，即16×16预测模式；
步骤409.如果采用粗精度的预测模式，即16×16预测模式，就计算当前宏块(16×16像素大小)的全局方向矢量T-DV；
步骤410，根据方向矢量的信息得出最有可能的2种候选预测模式；
步骤411.将候选预测模式同DC预测模式(DC模式是帧内预测4×4大小的9种预测模式中的一种，DC模式下4×4块的所有像素点的预测值是相同的)一起进行码率-失真度优化(RDO)算法，选择出最佳模式。
步骤412.完成目标宏块的帧内预测模式选择。
由以上论述可知，本发明可以带来以下技术效果：
1)本发明根据宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，可以减少帧内模式选择中的候选模式的数量，进而减少了运算量。
2)本发明将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式，从而减少了帧间模式选择中的候选模式的数量，进而减少了运算量。
3)本发明还通过宏块的帧间运动的方向信息来减少帧间模式选择中的候选模式的数量。
4)本发明还通过当前宏块的方向矢量信息来减少帧内模式选择中的候选模式的数量。
5)本发明不但有帧内的模式选择还有帧间的模式选择，本发明应用于H.264/AVC标准，可以有效的减少4×4大小的候选模式的数目，是一种能有效的减少运算量和运算时间的视频编码方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种H264视频编码快速模式选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对于帧内模式选择，根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；
步骤二、对于帧间模式选择，将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；
所述步骤二包括：
步骤a，根据图像信息或用户输入，确定全局预测门限值TV和局部预测门限值PV；
步骤b，将图像的每一帧划分成作为基本编码单元的16×16像素大小的宏块；
步骤c，对目标宏块进行16×16像素大小的全搜索，找到最佳的匹配块，将目标宏块和最佳匹配块进行比较，得到目标宏块的全局对应象素点的绝对差之和T-SAD；
步骤d，判断T-SAD是否小于TV，是则执行步骤e，否则执行步骤g；
步骤e，对该目标宏块采用粗精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后在16×16像素的精细度下结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程；
步骤g，对该目标宏块采用细精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程；
在所述步骤e中，所述粗精度的预测方式包括：将目标宏块划分为能体现方向信息的两个16×8子块和两个8×16子块，计算四个子块的对应象素点的绝对差之和SAD，并选出两个16×8子块中的SAD最大值MAX16×8和两个8×16子块中的SAD最大值MAX8×16，选取MAX16×8和MAX8×16中数值较小的所对应的候选模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，在选择不同精细度的预测方式后，还通过宏块的帧间运动的方向信息来减少候选模式的数量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤g包括：
步骤g1，将当前宏块进一步划分为4个8×8像素大小的子块，并在全搜索的基础上进行局部范围的搜索找到各子块的最佳匹配块，将目标子块和最佳匹配块进行比较，得到该目标子块的局部对应象素点的绝对差之和P-SAD；
步骤g2，判断P-SAD是否小于PV，是则执行步骤g3，否则执行步骤g4；
步骤g3，说明8×8像素大小的搜索已经可以满足图像质量的要求，将8×8像素大小的目标子块划分为能体现方向信息的两个8×4子块和两个4×8子块，计算四个子块的对应象素点的绝对差之和SAD，并选出两个8×4子块中的SAD最大值MAX8×4和两个4×8子块中的SAD最大值MAX4×8，选取MAX8×4和MAX4×8中数值小的所对应的候选模式，然后在8×8像素的精细度下结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间的模式选择流程；
步骤g4，说明8×8像素大小的搜索并不能满足图像质量的要求，所以只能对该目标子块采用精细的4×4预测方式，进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间的模式选择流程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，在选择不同精细度的预测方式后，还通过当前宏块的方向矢量信息来减少候选模式的数量。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤A，根据图像信息或用户输入，确定预测门限值VH；
步骤B，将图像的每一帧划分成作为基本编码单元的16×16像素大小的宏块；
步骤C，计算目标宏块内部图像信息的变化激烈程度VT；
步骤D，判断VT的值是否大于VH，是则执行步骤E，否则执行步骤F
步骤E，说明宏块内部图像信息的变化剧烈，采用细精度的4×4预测方式，计算当前4×4像素大小的子块的局部方向矢量P-DV，根据方向矢量的信息得出最有可能的两种候选模式，然后同直流系数候选模式一起进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧内的模式选择流程；
步骤F，说明宏块内部图像信息的变化平缓，采用粗精度的16×16预测方式，计算当前16×16像素大小的宏块的全局方向矢量T-DV，根据方向矢量的信息得出最有可能的两种候选模式，然后同直流系数候选模式一起进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧内的模式选择流程。
6.一种H264视频编码快速模式选择装置，其特征在于，包括：
帧内模式选择模块，用于：根据当前宏块内部图像信息的变化剧烈程度来选择不同精细度的预测方式，以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；
帧间模式选择模块，用于：将当前帧和参考帧的对应宏块的对应象素点的绝对差之和作为划分依据，把宏块划分为不同的精细度并对应选择不同精细度的预测方式以减少候选模式的数量，并通过“码率-失真度优化”的方式确定最后的选定模式；
其中，所述帧间模式选择模块，具体用于：
根据图像信息或用户输入，确定全局预测门限值TV和局部预测门限值PV；
将图像的每一帧划分成作为基本编码单元的16×16像素大小的宏块；
对目标宏块进行16×16像素大小的全搜索，找到最佳的匹配块，将目标宏块和最佳匹配块进行比较，得到目标宏块的全局对应象素点的绝对差之和T-SAD；
判断T-SAD是否小于TV，当T-SAD小于TV时，对该目标宏块采用粗精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后在16×16像素的精细度下结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程；其中，所述粗精度的预测方式包括：将目标宏块划分为能体现方向信息的两个16×8子块和两个8×16子块，计算四个子块的对应象素点的绝对差之和SAD，并选出两个16×8子块中的SAD最大值MAX16×8和两个8×16子块中的SAD最大值MAX8×16，选取MAX16×8和MAX8×16中数值较小的所对应的候选模式；
当T-SAD不小于TV时，对该目标宏块采用细精度的预测方式，得到对应的候选模式，然后结合所述候选模式进行“码率-失真度优化”，得到最后的选定模式，结束帧间模式的选择流程。
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