CN101119488A - 一种用于视频编码的色度均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于视频编码的色度均衡方法以及色度量化参数修正方法，该均衡方法包括：获取当前图像和预测图像之间的亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC；在获取亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC后计算得出频域中的残差分布SATDY和SATDC；基于上述的残差分布SADY、SATDC及亮度量化参数QPY修正色度量化参数QPC；分别基于亮度量化参数QPY和色度量化参数QPC对当前图像的亮度分量和色度分量进行编码。通过上述方法，利用当前图像亮度和色度分量残差及其分布的比较，调节色度量化参数，控制色度分量的压缩比，从而平衡色度分量和亮度分量的峰值信噪比，进而平衡二者的重建质量并节约码率。

Description

一种用于视频编码的色度均衡方法
【技术领域】
本发明涉及一种视频编码方法，具体涉及一种用于视频编码的色度均衡方法以及色度量化参数修正方法。
【背景技术】
在视频实时通信场合，视频信号的采样格式通常是Y:U:V＝4:2:0，数字视频编码标准H.264的Baseline Profile(基本档次)也只支持Y:U:V＝4:2:0格式。如图1所示，在这种采样格式下，亮度分量(Y)平均每四个采样点对应色度分量(U、V)的一个采样点。之所以采用这种采样格式是利用了人类视觉的特性，即对亮度分量的敏感程度大于对色度分量的敏感程度。
亮度分量与色度分量在空间采样率上的不同决定了它们在图像编码特性上的差异。在帧间编码过程中，数字视频编码标准H.264语法规定只对亮度分量进行运动搜索，色度分量的运动矢量直接取自于对应区域的亮度分量。在亚像素域，由于空间采样率的差异，对同一精度的运动矢量，色度分量必须比亮度分量多做一次插值，这导致了色度分量在空间上的分布相对平滑。此外，H.264引入了1/4像素精度的运动搜索，亮度分量在作1/4像素插值时，色度分量已到1/8像素插值，这更加剧了色度分量在空间上的平滑性，从而导致色度分量的残差值偏小，使得色度分量在量化后的PSNR(峰值信噪比)通常比亮度分量高。
从一些测试编码软件对两个标准测试序列Mother & Daughter及Highway Drive编码后的PSNR值看出，对帧间编码图像并没有均衡亮度、色度分量的压缩比，导致整个图像的PSNR值不均衡。可以看到，色度分量的PSNR通常比亮度分量高0.4～1dB，这造成了压缩的不平衡。然而在通常情况下由于人类的主观效果，色度分量的PSNR比亮度分量高太多是没有必要的，并且不会对图像的质量产生太大改善，反而会浪费了相当的码率。
【发明内容】
为了解决现有技术中图像编码过程中由于亮度和色度分量的空间采样率差异，导致亮度和色度分量的压缩不平衡，浪费了相当的码率的技术问题，本发明提供了一种能够自适应调节色度分量压缩比的用于视频编码的色度均衡方法以及色度量化参数修正方法。
本发明解决现有技术中图像编码过程中由于亮度和色度分量的空间采样率差异，导致亮度和色度分量的压缩不平衡，浪费了相当的码率的技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于视频编码的色度均衡方法，该均衡方法包括：a.获取当前图像和预测图像之间的亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC；b.基于获取亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC再计算得出频域中的残差分布SATDY和SATDC；c.基于残差分布SATDY、SATDC及预先得到的亮度量化参数QPY通过公式修正得出色度量化参数QPC；d.分别基于亮度量化参数QPY和色度量化参数QPC对当前图像的亮度分量和色度分量进行编码。
根据本发明一优选实施例，在步骤c中，色度量化参数QpC通过以下公式得出：
Q p C = Q p Y + ΔQp = Q p Y + int ( 1 Q p Y / ω + ( SATD Y N Y - SATD C N C ) · σ ) ,
其中，int()表示取整函数，NY表示亮度像素数量，NC表示色度像素数量，σ和ω为修正因子。
根据本发明一优选实施例，σ取值为0.4～1，ω为4～10。
根据本发明一优选实施例，在步骤b中，残差分布SATDY、SATDC通过整数变换近似的哈密顿变换获得。
根据本发明一优选实施例，当前图像和预测图像的采样格式为YUV4:2:0。
根据本发明一优选实施例，色度分量包括U色度分量或V色度分量。
本发明解决现有技术中图像编码过程中由于亮度和色度分量的空间采样率差异，导致亮度和色度分量的压缩不平衡，浪费了相当大的码率的技术问题所采用的另一技术方案是：提供一种用于视频编码的色度量化参数修正方法，包括：a.获取亮度分量和色度分量在频域中的残差分布SATDY和SATDC以及亮度量化参数QPY；b.通过以下公式获取色度量化参数QpC：
Q p C = Q p Y + ΔQp = Q p Y + int ( 1 Q p Y / ω + ( SATD Y N Y - SATD C N C ) · σ ) ,
其中：int()表示取整函数，NY表示亮度像素数量，NC表示色度像素数量，σ和ω为修正因子。
根据本发明一优选实施例，σ为0.4～1，并且ω为4～10。
根据本发明一优选实施例，在步骤b中，残差分布SATDY、SATDC通过整数变换近似的哈密顿变换获得。
通过上述方法，利用当前图像亮度和色度分量残差及其分布的比较，调节色度量化参数QpC，从而控制色度分量的压缩比，平衡色度分量和亮度分量的峰值信噪比，进而平衡二者的重建质量并节约码率，可以看到，色度分量的PSNR值接近亮度分量，整个图像各个分量均衡分布，并且节省了相当的码率，通过对图象的观察，主观质量差异控制在人眼很难觉察的程度。
【附图说明】
图1是现有视频信号采样格式YUV4:2:0的像素分布示意图；
图2是本发明的色度均衡方法的流程示意图；
图3是采用现有JM编码软件和加入本发明的平衡方法JM编码软件对标准测试序列Silent进行编码的结果比较图；
图4是采用现有JM编码软件和加入本发明的平衡方法JM编码软件对标准测试序列Foreman进行编码的结果比较图。
【具体实施方式】
参见图2，图2是本发明的色度均衡方法的流程示意图。在本发明中，通过分析当前图像亮度和色度分量残差及其分布，预测重建图像的亮度分量PSNR和色度分量PSNR的差异，进而通过修正色度量化参数，从而控制色度分量的压缩比，该均衡方法包括以下步骤：
1.获取当前图像和预测图像之间的亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC。
亮度、色度分量的残差值可通过以下公式进行计算：
SAD = Σ i , j | Diff ( i , j ) | , Diff(i，j)＝Original(i，j)-Prediction(i，j)    (1)
其中，SAD(Sum ofAbsolute Difference，绝对差和)，Original(i，j)表示原始图像的亮度值或色度值，Prediction(i，j)分别表示经运动搜索后的预测图像的亮度值或色度值。
2.计算亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC在频域中的残差分布SATDY和SATDC。
将SADY和SADC进行变换，得出上述残差在频域中的分布(因为量化在频域中进行)
在本实施例中，为了减少计算量，选用与整数变换近似的哈密顿(Hadamard)变换：DiffT＝H×Diff×H，其中：
Figure A20071007591400071
SATD = ( Σ i , j | DiffT ( i , j ) | ) / 2 - - - ( 2 )
SATD(Sum ofAbsolute Transform Difference，变换后绝对差和)，表示在频域中残差分布。
3.基于残差分布SATDY、SATDC及亮度量化参数QPY修正色度量化参数QPC。
利用上述步骤1、2分别计算出亮度分量和色度分量的SATDY和SATDC。
其中Y为亮度分量，C可以是色度分量U或V色度分量。利用亮度量化参数QPY通过以下公式修正后的色度量化参数QPC
Q p C = Q p Y + ΔQp = Q p Y + int ( 1 Q p Y / ω + ( SATD Y N Y - SATD C N C ) · σ ) - - - ( 3 )
其中，int()表示取整函数，NY表示亮度像素数量，NC表示色度像素数量，σ和ω为根据实验观察制定的修正因子，通常情况下，σ取值0.6，ω取值6。
4.分别基于亮度量化参数QPY和色度量化参数QPC对当前图像的亮度分量和色度分量进行编码。
具体的编码步骤为本领域的公知过程，一般包括正交变换、量化和熵编码，并且在此不再赘述。
通过上述平衡方法，利用当前图像亮度和色度分量残差及其分布的比较，调节色度量化参数，可以控制色度分量的压缩比，从而平衡色度分量和亮度分量的峰值信噪比，进而平衡二者的重建质量并节约码率。
如下表1和表2所示，表1和表2中的“原始序列PSNR”的对应数据分别是JVT(联合视频编码组)发布的官方测试编码软件JM对两个标准测试序列Mother &Daughter及Highway Drive编码后的PSNR值。由于JM在进行帧间编码过程中没有均衡亮度、色度分量的压缩比，导致整个图像的PSNR值不均衡。
从表中可以看到，色度分量的PSNR通常比亮度分量高0.4～1dB，因而浪费了相当的码率，并且对图像质量没有太大改善。表1和表2中的“ACLE序列PSNR”是采用本发明的色度均衡方法编码后的数据。可以看到，色度分量的PSNR值接近亮度分量，整个图像各个分量均衡分布，节省了相当的码率，并且通过对图像的观察发现图像的主观质量差异控制在人眼很难觉察的程度。
表1Mother & Daughter
  Y(dB)   U(dB)   V(dB)
  原始序列PSNR   39.92   40.41   40.55
  ACLE序列PSNR   39.92   39.97   39.99
  码率节省   2.76％
表2Highway Drive
  Y(dB)   U(dB)   V(dB)
  原始序列PSNR   36.72   37.61   37.73
  ACLE序列PSNR   36.72   36.78   36.81
  码率节省   5.21％
如图3和图4所示，图3和图4是采用现有JM编码软件和加入本发明的平衡方法的JM编码软件分别对标准测试序列Silent和Foreman进行编码的结果比较图。其中，JM表示JVT官方发布的测试编码软件；JM ACLe表示对JM进行修改并加入本发明均衡方法的编码软件。对于Silent序列，在高码率情况下，由于图像比较细腻，空间平滑度高，导致应用本发明的色度均衡方法后的效果较佳；低码率情况下，由于图像噪声增强，参考图像在空间上不够平滑，导致该方法的效果下降。对于运动更加剧烈的Foreman序列，由于1/4像素精度的运动矢量增多，可以看到，色度分量的PSNR值接近亮度分量，整个图像各个分量均衡分布，本发明的色度均衡方法取得了更佳效果，在Foreman的高码率部分可以观察到，相同PSNR值时，码率提高了大约8％。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。

Claims (8)

1.一种用于视频编码的色度均衡方法，所述均衡方法包括：
a.获取当前图像和预测图像之间的亮度分量残差SADY和色度分量残差SADC；
b.获取所述亮度分量残差SADY和所述色度分量残差SADC计算出频域中的残差分布SATDY和SATDC；
c.基于上述残差分布SATDY、SATDC及预先得到的亮度量化参数QPY带入下列公式得出色度量化参数QPC：
Qp C = Qp Y + ΔQp = Q p Y + int ( 1 Qp Y / ω + ( SATD Y N Y - SAT D C N C ) · σ ) ;
d.分别基于所述亮度量化参数QPY和所述色度量化参数QPC对所述当前图像的亮度分量和色度分量进行编码。
2.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：在所述步骤d中，修正因子σ的取值范围为0.4～1，ω的取值范围为3～10。
3.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述残差分布SATDY、SATDC通过整数变换近似的哈密顿变换获得。
4.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述当前图像和所述预测图像的采样格式为YUV4:2:0。
5.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述色度分量包括U色度分量或V色度分量。
6.一种用于视频编码的色度量化参数修正方法，包括：
a.获取亮度分量和色度分量在频域中的残差分布SATDY和SATDC以及亮度量化参数QPY；
b.通过以下公式获取色度量化参数QpC：
Qp C = Qp Y + ΔQp = Qp Y + int ( 1 Qp Y / ω + ( SATD Y N Y - SATD C N C ) · σ ) ,
其中，int()表示取整函数，NY表示亮度像素数量，NC表示色度像素数量，σ和ω为修正因子。
7.根据权利要求6所述的修正方法，其特征在于：所述σ为0.4～1，ω为3～10。
8.根据权利要求6所述的修正方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述残差分布SATDY、SATDC通过整数变换近似的哈密顿变换获得。
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Address after: 518057, Shenzhen hi tech Zone, South District, science and technology, South twelve Road, No. 18, Changhong science and technology building, 19 floor, Nanshan District

Patentee after: Shenzhen Temobi Science & Tech Development Co.,Ltd.

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Patentee before: Shenzhen Rongchuang Tianxia Technology Development Co., Ltd.

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Owner name: SHENZHEN RONGCHANG TIANXIA TECHNOLOGY CO., LTD.

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Address before: 518057, Shenzhen hi tech Zone, South District, science and technology, South twelve Road, No. 18, Changhong science and technology building, 19 floor, Nanshan District

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