CN102075751A - 一种基于宏块运动状态的h264快速模式选择方法 - Google Patents

一种基于宏块运动状态的h264快速模式选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于宏块运动状态的H264快速模式选择方法，该方法根据宏块的运动状态缩小模式搜索的范围，它首先利用可以自适应调整的率失真代价阈值对SKIP和INTRA模式进行预测，然后根据时间空间上相邻宏块的运动向量预测当前宏块的运动幅度，并根据当前宏块的运动幅度选择对应的候选模式进行模式选择；采用本发明的方法可以在视频质量几乎不受影响的条件下，降低视频编码的计算复杂度，大幅减少编码时间。

Description

一种基于宏块运动状态的H264快速模式选择方法
技术领域
本发明涉及视频编码领域，尤其涉及一种基于宏块运动状态的H264快速模式选择方法。
背景技术
H264是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO／IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）提出的高度压缩数字视频编解码器标准。H264中引入许多新的特性，有效提升了编码效率，但同时也增加了计算复杂度。H264的变块尺寸运动补偿技术允许在视频编码中采用不同的尺寸（也就是模式）对宏块进行运动估计和运动补偿。可选的帧间预测模式有SKIP、P16×16、P16×8、P8×16、P8×8，帧内预测模式有INTRA16×16和INTRA4×4。其中帧间预测模式P8×8还可以继续分割为8×4、4×8、4×4三种尺寸。H264参考代码在高复杂度模式下，对于模式选择采用的技术是通过全搜索的方式检查每种模式下编码的率失真代价，取代价最小的模式为最终编码模式。因此对一个宏块进行编码时，帧间模式共有259种可能（P16×16一种、P16×8一种、P8×16一种、P8×8有4×4×4×4=256种）。每种帧间模式都涉及到运动估计、运动补偿、变换、量化、反变换的操作。此外还需要检查INTRA16×16和INTRA4×4这两种帧内模式。这种技术计算复杂度极高，因此对模式选择的优化尤为重要。
对于自然视频序列，静止的或者缓慢移动的区域通常使用大尺寸的模式进行编码以获得更高的编码效率；对于快速移动的区域，使用小尺寸的模式编码效率更高。因此可以根据区域的运动状态来选择使用何种类型的模式对宏块进行编码。宏块的运动状态与它的在SKIP模式下的率失真代价有着密切的关系。对于静止的宏块，率失真代价很小；相反，对于快速运动的甚至是涉及到场景切换的宏块，其率失真代价极大。利用率失真代价阈值进行模式预测的方法被广泛使用。有论文提出一种使用预先设定好阈值作为判断SKIP模式的依据的方法。但是在该方法中这个率失真代价阈值是仅与量化步长QP相关的函数，与视频序列本身无关。然而对于不同的自然视频序列，SKIP模式的率失真代价的平均值区别很大。即便是同一视频中不同场景的帧，这个平均值也不同。因此使用固定的阈值来判断SKIP模式容易导致模式误判。
另外，通过时间空间上相邻宏块的运动向量也可以预测当前宏块的运动状态。但如果相邻宏块不是P16×16模式编码的宏块，其各个子块的运动向量各不相同，因此需要计算宏块的等效运动向量。有论文提出一种用自底向上合并各子块运动向量的方法来计算等效运动向量，但是其计算步骤过于繁琐。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于宏块运动状态的H264快速模式选择方法，该方法在几乎不损害视频质量和压缩效率的基础上，能够有效减少编码时间。
该发明目的是通过以下技术方案实现的：一种基于宏块运动状态的H264快速模式选择方法，它包含以下步骤：
（1）读取待编码的视频帧，并将其划分为16×16的宏块；
（2）设置用来预测SKIP模式的率失真代价阈值                                                
Figure 990471DEST_PATH_IMAGE001
和用来预测INTRA模式的率失真代价阈值
Figure 517398DEST_PATH_IMAGE002
的初始值：
Figure 608720DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 879296DEST_PATH_IMAGE004
；其中QP为量化步长；
（3）判断当前需要编码的宏块的位置：对于当前宏块处于所在帧的第一行或者第一列的情况，使用率失真优化方法检查所有的帧内帧间模式，选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式；模式选择完成之后，判断当前宏块的最佳编码模式是否为SKIP模式或者INTRA模式；如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，用如下公式更新
Figure 70499DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 768328DEST_PATH_IMAGE005
（1）
其中，
Figure 409262DEST_PATH_IMAGE001
为更新后的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；
Figure 483529DEST_PATH_IMAGE006
为在编码当前宏块之前，所有使用SKIP模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；
Figure 214724DEST_PATH_IMAGE007
为未更新时的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；为当前宏块的率失真代价；
如果当前宏块采用的是INTRA模式编码，用下面的公式更新
Figure 208755DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 585248DEST_PATH_IMAGE009
（2）
其中，
Figure 983999DEST_PATH_IMAGE002
为更新后的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值；
Figure 525095DEST_PATH_IMAGE010
为在编码当前宏块之前，所有使用INTRA模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；
Figure 642087DEST_PATH_IMAGE011
为未更新时的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值，
Figure 494374DEST_PATH_IMAGE012
为当前宏块的率失真代价；
（4）对于当前需要编码的宏块不处于所在帧的第一行或者第一列的情况，计算当前宏块在SKIP模式下的率失真代价
Figure 747632DEST_PATH_IMAGE013
，并比较
Figure 742787DEST_PATH_IMAGE013
与
Figure 81496DEST_PATH_IMAGE014
、的大小；
（5）对于小于
Figure 741519DEST_PATH_IMAGE001
的情况，选择SKIP模式为当前宏块的最佳编码模式并使用公式（1）更新；对于大于
Figure 553245DEST_PATH_IMAGE002
的情况，使用率失真优化方法检查INTRA4x4和INTRA16x16模式；选择率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳模式，并使用公式（2）更新；
（6）对于
Figure 180066DEST_PATH_IMAGE013
小于等于
Figure 679312DEST_PATH_IMAGE002
且大于等于
Figure 260203DEST_PATH_IMAGE001
的情况，计算当前宏块的运动幅度
Figure 249019DEST_PATH_IMAGE016
，的大小反映了当前宏块的运动状态；
（7）根据当前宏块的运动幅度
Figure 650755DEST_PATH_IMAGE017
的大小选取相应的候选模式进行率失真优化计算；对于的情况，将SKIP和P16×16作为候选模式并选取率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳编码模式；对于
Figure 245870DEST_PATH_IMAGE019
的情况，选择P8×8模式为当前宏块编码并使用率失真优化方法选出率失真代价最小的8×８亚宏块的分割情况；对于
Figure 29369DEST_PATH_IMAGE020
的情况，将P16×8和P8×16作为候选模式进行率失真优化计算并选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式；如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，则使用公式（1）更新
Figure 932734DEST_PATH_IMAGE001
；
（8）完成对当前宏块的编码，编码下一宏块。
本发明具有以下技术效果：极大地减少了H264编码的计算复杂度，减少编码所需的时间。本发明首先通过自适应调整的阈值来预测SKIP模式和INTRA模式，避免了大量的不必要的计算。且相比于现有的阈值仅与量化补偿QP相关的模式预测技术，本发明提出的方法对SKIP模式和INTRA模式误判率更低。其次，本发明根据相邻宏块的运动向量来预测当前宏块的运动幅度，根据运动幅度的大小检查可能的候选模式。这样的模式选择搜索范围更小，搜索得到的结果更可靠。
附图说明
图1为宏块与其时间、空间相邻宏块的位置关系图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明提出的H264快速模式选择方法适用在计算能力有限的硬件上，通过预测宏块的运动状态减少模式搜索的范围。使得在视频图像质量不受明显影响的前提下，编码所需的时间大幅减少。具体实施步骤如下：
一、读取待编码的视频帧并将其划分为16×16的宏块。
二、使用如下方法设置用来预测SKIP模式的率失真代价阈值
Figure 176633DEST_PATH_IMAGE001
和用来预测INTRA模式的率失真代价阈值的初始值：
Figure 515397DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 458338DEST_PATH_IMAGE004
；其中QP为量化步长。
三、判断当前需要编码的宏块的位置：对于当前宏块处于所在帧的第一行或者第一列的情况，使用率失真优化方法检查所有的帧内帧间模式，选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式。模式选择完成之后，判断当前宏块的最佳编码模式是否为SKIP模式或者INTRA模式。如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，用如下公式更新
Figure 635373DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 635428DEST_PATH_IMAGE005
（1）
其中
Figure 632334DEST_PATH_IMAGE001
为更新后的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；
Figure 310790DEST_PATH_IMAGE006
为在编码当前宏块之前，所有使用SKIP模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；
Figure 342331DEST_PATH_IMAGE021
为未更新时的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；
Figure 513287DEST_PATH_IMAGE008
为当前宏块的率失真代价。
如果当前宏块采用的是INTRA模式编码，用下面的公式更新
Figure 997489DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 282233DEST_PATH_IMAGE009
（2）
其中
Figure 168281DEST_PATH_IMAGE002
为更新后的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值；
Figure 198554DEST_PATH_IMAGE010
为在编码当前宏块之前，所有使用INTRA模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；为未更新时的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值，
Figure 255557DEST_PATH_IMAGE012
为当前宏块的率失真代价。
四、对于当前需要编码的宏块不处于所在帧的第一行或者第一列的情况，计算当前宏块在SKIP模式下的率失真代价
Figure 327654DEST_PATH_IMAGE013
，并比较
Figure 341878DEST_PATH_IMAGE013
与、
Figure 689868DEST_PATH_IMAGE002
的大小。
五、对于
Figure 786394DEST_PATH_IMAGE013
小于
Figure 909202DEST_PATH_IMAGE001
的情况，选择SKIP模式为当前宏块的最佳编码模式并使用公式（1）更新；对于
Figure 282600DEST_PATH_IMAGE015
大于
Figure 493352DEST_PATH_IMAGE002
的情况，使用率失真优化方法检查INTRA4x4和INTRA16x16模式。选择率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳模式，并使用公式（2）更新
Figure 849378DEST_PATH_IMAGE002
。
六、对于
Figure 781300DEST_PATH_IMAGE013
小于等于
Figure 435135DEST_PATH_IMAGE002
且大于等于
Figure 4788DEST_PATH_IMAGE001
的情况，计算当前宏块的运动幅度
Figure 298759DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 953862DEST_PATH_IMAGE016
的大小反映了当前宏块的运动状态；的计算方法如下：
6.1、计算当前宏块（图1当前宏块）的左方宏块（图1宏块D）、上方宏块（图1宏块B）、右上方宏块(图1宏块C)以及前一帧中与当前宏块所在位置相同的宏块（图1宏块A）的等效运动向量
Figure 412712DEST_PATH_IMAGE023
； 的计算方法如下：
Figure 686228DEST_PATH_IMAGE024
（3）
其中
Figure 259030DEST_PATH_IMAGE025
为当前宏块中子块的个数，
Figure 803275DEST_PATH_IMAGE026
为第i个子块的运动向量的权重，其值为子块包含的像素数与16×16宏块包含的像素数之比，
Figure 173470DEST_PATH_IMAGE027
第i个子块的运动向量。 
6.2、计算当前宏块的运动幅度。
Figure 602494DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法如下：
Figure 499781DEST_PATH_IMAGE028
（4）
其中
Figure 804991DEST_PATH_IMAGE029
表示宏块X（X为A、B、C或者D）的等效运动向量水平分量的绝对值；
Figure 417588DEST_PATH_IMAGE030
表示宏块X（X为A、B、C或者D）的等效运动向量垂直分量的绝对值。
七、根据当前宏块的运动幅度的大小选取相应的候选模式进行率失真优化计算。对于
Figure 585450DEST_PATH_IMAGE018
的情况，将SKIP和P16×16作为候选模式并选取率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳编码模式。对于
Figure 795983DEST_PATH_IMAGE019
的情况，选择P8×8模式为当前宏块编码并使用率失真优化方法选出率失真代价最小的8×８亚宏块的分割情况；对于
Figure 839419DEST_PATH_IMAGE020
的情况，将P16×8和P8×16作为候选模式进行率失真优化计算并选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式。如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，则使用公式（1）更新
Figure 793599DEST_PATH_IMAGE001
；
八、完成对当前宏块的编码，编码下一宏块。
本发明在H264参考代码JM10.2（即H264/AVC Reference Software version JM10.2）的基础上进行改进。编码器主要参数的配置如下：
ProfileIDC = 77；
LevelIDC = 40；
IntraPeriod = 0；
NumberReferenceFrames = 1；
RDOptimization = 1；
SymbolMode = 1。
采用本发明提出的方法在计算机上对QCIF格式的Bus、Container、Mobile Calendar、Salesman、Table Tennis以及CIF格式的Akiyo、Coastguard、Foreman、News、Silent进行测试，与H264参考代码JM10.2相比，总编码时间平均减少62.84%,图像PSNR平均减少0.051dB，比特率平均增加增加0.17%。

Claims (2)

1.一种H264快速模式选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）读取待编码的视频帧，并将其划分为16×16的宏块；
（2）设置用来预测SKIP模式的率失真代价阈值                                                
Figure 2011100051245100001DEST_PATH_IMAGE001
和用来预测INTRA模式的率失真代价阈值
Figure 191174DEST_PATH_IMAGE002
的初始值：，
Figure 215018DEST_PATH_IMAGE004
；其中QP为量化步长；
（3）判断当前需要编码的宏块的位置：对于当前宏块处于所在帧的第一行或者第一列的情况，使用率失真优化方法检查所有的帧内帧间模式，选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式；模式选择完成之后，判断当前宏块的最佳编码模式是否为SKIP模式或者INTRA模式；如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，用如下公式更新：
Figure 2011100051245100001DEST_PATH_IMAGE005
（1）
其中，
Figure 504888DEST_PATH_IMAGE001
为更新后的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；
Figure 732738DEST_PATH_IMAGE006
为在编码当前宏块之前，所有使用SKIP模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为未更新时的用来预测SKIP模式的率失真代价阈值；为当前宏块的率失真代价；
如果当前宏块采用的是INTRA模式编码，用下面的公式更新：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（2）
其中，
Figure 409204DEST_PATH_IMAGE002
为更新后的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值；
Figure 944091DEST_PATH_IMAGE010
为在编码当前宏块之前，所有使用INTRA模式编码的宏块的个数（如果没有即为0）；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为未更新时的用来预测INTRA模式的率失真代价阈值，
Figure 303878DEST_PATH_IMAGE012
为当前宏块的率失真代价；
（4）对于当前需要编码的宏块不处于所在帧的第一行或者第一列的情况，计算当前宏块在SKIP模式下的率失真代价
Figure 104475DEST_PATH_IMAGE013
，并比较
Figure 702684DEST_PATH_IMAGE013
与、的大小；
（5）对于
Figure 526305DEST_PATH_IMAGE013
小于
Figure 928206DEST_PATH_IMAGE001
的情况，选择SKIP模式为当前宏块的最佳编码模式并使用公式（1）更新
Figure 985155DEST_PATH_IMAGE001
；对于
Figure 545799DEST_PATH_IMAGE015
大于
Figure 507939DEST_PATH_IMAGE002
的情况，使用率失真优化方法检查INTRA4x4和INTRA16x16模式；选择率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳模式，并使用公式（2）更新
Figure 949416DEST_PATH_IMAGE002
；
（6）对于小于等于
Figure 175440DEST_PATH_IMAGE002
且大于等于
Figure 624876DEST_PATH_IMAGE001
的情况，计算当前宏块的运动幅度
Figure 870044DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 134540DEST_PATH_IMAGE016
的大小反映了当前宏块的运动状态；
（7）根据当前宏块的运动幅度
Figure 806961DEST_PATH_IMAGE017
的大小选取相应的候选模式进行率失真优化计算；对于
Figure 786769DEST_PATH_IMAGE018
的情况，将SKIP和P16×16作为候选模式并选取率失真代价最小的模式为当前宏块的最佳编码模式；对于
Figure 835628DEST_PATH_IMAGE019
的情况，选择P8×8模式为当前宏块编码并使用率失真优化方法选出率失真代价最小的8×８亚宏块的分割情况；对于的情况，将P16×8和P8×16作为候选模式进行率失真优化计算并选择率失真代价最小的模式为最佳编码模式；如果当前宏块采用的是SKIP模式编码，则使用公式（1）更新；
（8）完成对当前宏块的编码，编码下一宏块。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE021
的计算方法如下：
（a）计算当前宏块的左方宏块、上方宏块、右上方宏块以及前一帧中与当前宏块所在位置相同的宏块的等效运动向量
Figure 349545DEST_PATH_IMAGE022
； 
Figure 435050DEST_PATH_IMAGE022
的计算方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（3）
其中，为当前宏块中子块的个数，为第i个子块的运动向量的权重，其值为子块包含的像素数与16×16宏块包含的像素数之比，
Figure 646554DEST_PATH_IMAGE026
第i个子块的运动向量； 
（b）计算当前宏块的运动幅度
Figure 603883DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 728965DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法如下：
（4）
其中，
Figure 966436DEST_PATH_IMAGE028
表示宏块X的等效运动向量水平分量的绝对值，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示宏块X的等效运动向量垂直分量的绝对值，X为A、B、C或者D。
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