CN101984669A - 一种帧层次自适应维纳插值滤波器的迭代方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，用固定系数维纳滤波器插值计算出率失真同时得到自适应插值滤波器系数，再将自适应插值系数替换插值滤波器固定插值系数；再次算出率失真同时得到新的自适应插值系数，当前后两次迭代过程的率失真开销RD_cost的差值小于设定的阈值，则迭代收敛。

Description

一种帧层次自适应维纳插值滤波器的迭代方法

技术领域

本发明属于多媒体视频编码器算法领域，涉及到有效提高编码效率的方法，适合于视频监控，家庭影院等系统。

背景技术

当今最新的视频编码标准H.264/AVC，以及较早前的MPEG-4和H.263的最重要技术之一，就是运动补偿预测(MCP)技术。运动补偿技术在消除时间冗余、降低图像信号的比特率方面具有十分显著的作用。以已编码图像帧的重建帧作为当前编码帧的参考帧，对其进行运动补偿预测，得到预测值，传输编码预测值与当前帧的差值，从而起到了降低冗余的作用。而滤波插值对MCP预测的精度有着显著的影响，Wedi等人提出的自适应滤波插值方案各有不同，但编码性能相当。核心的自适应算法都是最小化预测误差能量。它们分别是：二维非可分自适应插值滤器、可分离自适应插值滤波器、定向自适应插值滤波器。本发明提出的迭代算法适合于以上任何一种滤波器，但为了获得更好的表现性能，本发明基于二维非可分自适应插值滤波器。

自适应插值滤波器的数学模型：假设

表示插值计算某个亚像素SP(a...o)的6x6抽头二维滤波器的系数，p^SP表示插值计算的结果。计算过程如下：

$p^{\mathrm{SP}}=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}{h}_{i-1,j-1}^{\mathrm{SP}}---\left(1\right)$

P_i，j表示上图2中的整像素A1K F6。

首先用标准插值滤波器对参考图像滤波，经运动估计求得各子块的运动矢量，用

表示首坐标为(x，y)子块的运动矢量，当前帧的预测插值可表示为：

对上式两边分别求关于滤波器系数的偏导，并令其等于零：

$\∀k,l\∈\{0;5\}$

上式变型后可得：

$\underset{k=-3}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=-3}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{h}_t(k,l){\·R}_{t-1,t-1}(i-k,j-l)=R_{t-1,t}(i,j)---\left(4\right)$

等式(4)中R_t-1，t-1表示参考图像的自相关矩阵，R_t-1，t为当前图像与参考图像的互相关函数阵。这个方程组又称为维纳滤波器标准方程或维纳-霍夫方程，方程组的解可认为是目标自适应插值滤波器系数。同一帧内的宏块拥有相同的自适应插值滤波器系数。

很显然H.264/AVC中插值滤波器的局限性在于，视频序列的所有帧都用同一滤波器插值，没有考虑到图像特性的非稳定因素，尤其是图像信号的混叠干扰。另外一个局限在于亚像素的精度被固定为1/4像素精度。要提高运动补偿的性能必须突破这两个局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：运用迭代算法充分考虑到图像的纹理特性，能使码流有效降低，提供一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法。

本发明一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，用固定系数维纳滤波器插值计算出率失真同时得到自适应插值滤波器系数，再将自适应插值系数替换插值滤波器固定插值系数；再次算出率失真同时得到新的自适应插值系数，当前后两次迭代过程的率失真开销RD_cost的差值小于设定的阈值，则迭代收敛。

用固定系数的维纳滤波器初始化插值滤波器固定插值系数h，然后运动补偿，经ME与RDO，获取最优块分割模式、编码方式和各分割块的运动矢量

通过最小化预测误差e(n_t)能量的方法，求得自适应维纳插值滤波器自适应插值系数h₁；量化编码预测误差e(n_t)和运动矢量

与作为附加信息的滤波器自适应插值系数h₁，同时计算得到率失真大小。

所述率失真开销RD_cost＝TBits×λ+Sad，λ＝0.68×2^(QP-12)/3，式中TBits表示量化编码获得的总比特数，Sad表示绝对误差和，λ是拉格朗日系数，由量化参数QP决定。RD cos t_k和RD cos t_k-1为两次连续迭代的率失真开销，率失真减少量r描述如下：

r＝|RD cos t_k-RD cos t_k-1|/RD cos t_k-1                        (5)

迭代终止条件为：

r＜r_threshold                    (6)

r_threshold为终止迭代阀值r_threshold＝0.001。

本发明提供了一种更加符合图像纹理的滤波器迭代算法，比较已有技术，它能很好的降低码流，并且能够在一定程度上提高图像抗混叠效应的能力。

附图说明

图1：本发明中使用的MCP编码器框图；

图2：本发明中使用的H.264/AVC插值(大写字母表示整像素，小写字母表示亚像素)；

图3：本发明中率失真实验结果Foreman，CIF，30Hz，100Frames，IPPP；

图4：本发明中率失真实验结果Tempete，CIF，30Hz，100Frames，IPPP；

图5：本发明中率失真实验结果Mobile，CIF，30Hz，100Frames，IPPP；

图6：本发明中率失真实验结果Bus，CIF，30Hz，100Frames，IPPP；

图7：本发明中率失真实验结果Shields，720P，60Hz，100Frames，IPPP；

图8：本发明中率失真实验结果Stockholm，720P，60Hz，100Frames，IPPP；

图9：阀值选择与迭代次数的关系。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明

本发明在运动估计(ME)过程中，运用率失真最优策略(RDO)，若插值滤波器确定，则可认为在编码图像已知的情况下，运动场信息MV，最优的分割方式和编码方式也是确定的。自适应插值滤波器系数是通过最小化预测误差的能量求得的，显然插值滤波器系数与运动场信息，图像的分割方式，编码方式是互相关的。因此若用求得的自适应滤波器系数对参考图像重新插值，必然会改变运动场信息，最优分割方式以及编码模式。而由于迭代过程中替代原插值滤波器的自适应滤波器是上一个迭代环中最小化预测误差能量所求得的，较之固定系数的静态插值滤波器更趋近于图像信号真实的纹理特性，所以这一迭代过程能够提升MCP的编码性能。

迭代运算的过程如下：

1：用固定系数的维纳滤波器初始化插值滤波器h；

2：运动补偿，经ME与RDO，获取最优块分割模式、编码方式和各分割块的运动矢量

通过最小化预测误差e(n_t)能量的方法，求得自适应维纳插值滤波器系数h₁。量化编码e(n_t)，

与作为附加信息的滤波器h₁系数，计算率失真大小RD_cost_N-1；

3：用h₁更新步骤1中的h，迭代步骤2过程，求得新的h₁和RD_cost_N；

4：若RD_cost_N-1≤RD_cost_N，则步骤5，否则步骤3；

5：退出迭代运算。

迭代算法的关键在于，判决依据既能有效地逼近具有高编码性能的最优插值滤波器，又具备良好的收敛性。本文用比较连续两次迭代过程的率失真开销RD_cost的方法作为收敛条件。RD_cost的数学模型可表示为：

RD_cost＝TBits×λ+Sad，λ＝0.68×2^(QP-12)/3            (5)

式中TBits表示编码获得的总比特数，绝对误差和Sad反映的是失真情况，λ是拉格朗日系数，由量化参数QP决定。

我们把RD cos t_k和RD cos t_k-1当做两次连续迭代的率失真开销，率失真减少量r描述如下：

r＝|RD cos t_k-RD cos t_k-1|/RD cos t_k-1                    (5)

迭代终止条件定义为：

r＜r_threshold                            (6)

r_threshold阀值的选取是一个关键的点，经过大量实验发现如图9所示，选取大的阀值迭代次数太少，所以我们决定选取平均迭代5-6次以上的阀值点，选取了三组0.0001，0.0005，0.001，作为我们的候选阀值，然后又做了大量实验计算这三组点的时间复杂度跟码率提升之间的关系，见表1，发现相比较0.001其他两组点性能提升不大，时间复杂度急剧上升，因此我们最终采用阀值系数r_threshold＝0.001。

表1：三组点时间复杂度与性能提升的比较

图1为运用了运动补偿预测技术的一个编码器示意框图，由图1可见，片中已编码图像s(n_t-1)的重建帧s′(n_t-1)，作为当前帧s(n_t)的参考图像。为了更好的发挥运动补偿技术的性能，当前帧s(n_t)将被分割成不同大小的块，通过运动最优匹配估算得到运动信息s′(n_t-1)经插值滤波器h插值，结合ME过程所产生的运动信息

也就是运动矢量，经运动补偿后得到预测值

所要传输编码的是预测差值与运动矢量

与e(n_t)经反变换与反量化后，生成下一帧编码时的参考帧，插值滤波器的模型如图2所示。

本发明所有的仿真都基于KTA参考软件(JM11.0)的High profile档次，使用非可分离自适应滤波器，图像预测结构为：IPPP。主要的参数设置如下表2：

表2：编码过程的主要参数设置

Resolution	CIF，720P
		ProfileIDC	100
QPISlice	23，27，31，35
		QPPSlice	24，28，32，36
FramesToBeEncoded	100
		SearchRange	16
SymbolMode	0
		NumberReferenceFrames	4

为了评估我们的算法，本发明选取了CIF格式和720P格式的不同视频序列压缩编码。仿真实验结果如下(

表示PSNR-Y的增加量，

表示Bit Rate减少量)：图3至图8是各序列率失真曲线的仿真结果，从仿真结果来看我们的算法能够有效的提高编码性能，表3列出了各序列的

与

的最大值Max、最小值Min和平均值Average。

表3：编码性能统计

由表2可知，序列Foreman的亮度分量峰值信噪比PSNR-Y提高最高达0.21dB，码率降低高达5.91％，编码性能提升十分明显。其他CIF格式的序列信噪比平均提升约0.03dB，码率降低约3.5％。对于720P格式的高清序列，峰值信噪比平均提升约0.035dB，码率降低较之CIF格式更为明显，其中序列Shields码率节省最低5.42％，最高7.16。序列Stockholm的码率降低最高达6.13％，不过在低码率阶段性能较之KTA有所降低，但这并不妨碍编码性能的整体提升，其码率平均降低3.505％。

Claims (4)

1.一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，其特征在于：用固定系数维纳滤波器插值计算出率失真同时得到自适应插值滤波器系数，再将自适应插值系数替换插值滤波器固定插值系数；再次算出率失真同时得到新的自适应插值系数，当前后两次迭代过程的率失真开销RD_cost的差值即率失真减少量小于设定的阈值，则迭代收敛。

2.根据权利要求1所述的一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，其特征在于：用固定系数的维纳滤波器初始化插值滤波器固定插值系数h，然后运动补偿，经ME与RDO，获取最优块分割模式、编码方式和各分割块的运动矢量

得到率失真开销RD_cost；通过最小化预测误差e(n_t)能量的方法，求得自适应插值系数h₁；把自适应插值系数h₁替换固定插值系数h，得到新的率失真开销与新的自适应插值系数等信息。

3.根据权利要求1所述的一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，其特征在于：所述率失真开销RD_cost＝TBits×λ+Sad，λ＝0.68×2^(QP-12)/3，式中TBits表示量化编码获得的总比特数，Sad表示绝对误差和，λ是拉格朗日系数，由量化参数QP决定。

4.根据权利要求1所述的一种帧层次的自适应维纳插值滤波器系数的迭代方法，其特征在于：

RD cos t_k和RD cos t_k-1为两次连续迭代的率失真开销，率失真减少量r描述如下：

r＝|RD cos t_k-RD cos t_k-1|/RD cos t_k-1                        (5)

迭代终止条件为：

r＜r_threshold                                                 (6)

r_threshold为终止迭代阀值r_threshold＝0.001。

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