CN102186079A - 一种基于运动向量的h.264基本档次帧内模式选择方法 - Google Patents
一种基于运动向量的h.264基本档次帧内模式选择方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于运动向量的H.264基本档次帧内模式选择方法，包括下列步骤：1)对I帧或P帧进行判断：在I帧的情况下，进行传统的帧内预测编码，编码完成后把当前宏块包含的模式信息写入参考模式表中；2)在P帧的情况下，编码器先进行帧间预测，得到最佳运动向量，再根据运动向量通过查询参考模式表获取当前宏块及包含子块的参考模式信息；3)进行16×16和4×4帧内预测，根据各子块的参考模式信息确定候选预测模式，对候选预测模式进行率失真优化运算，从而得到最优帧内预测模式。本发明在对编码信噪比影响较小的情况下简化了帧内模式选择算法，加快了编码速度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及多媒体视频编码领域，具体涉及一种针对H.264标准基本档次的帧内预测模式选择算法。它可以保证在编码输出信噪比基本不变的情况下加快帧内预测过程，提高编码速度。
(二)背景技术
H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像专家组)的联合视频组(JVT/Joint Video Team)开发的视频编码标准。它等同于ISO的MPEG-4的第十部分，于2003年5月正式批准。和传统的视频编码方式相比，H.264标准有着更高的编码效率和算法复杂度。
H.264标准定义了三种档次，基本档次(Baseline profile)，主要档次(Main profile)和扩展档次(Extended profile)，其中基本档次支持I帧和P帧，主要用于会议电视、可视电话和无线实时通信等领域。
H.264标准在预测编码部分由帧内编码和帧间编码两部分组成，帧内编码利用了图像的空间相关性压缩了冗余信息，帧间编码利用了视频序列的时间相关性起到压缩冗余信息的目的，两者是相互独立的
在H.264标准中，帧内预测模式包含了9种4×4亮度预测模式：
| 模式 | 描述 |
| 模式0(垂直) | 由宏块上方像素垂直向下预测像素值 |
| 模式1(水平) | 由宏块左侧像素水平推出预测像素值 |
| 模式2(DC) | 由宏块上方和左侧像素平局值推出所有像素值 |
| 模式3(下左对角线) | 由135°方向像素内插得出相应像素值 |
| 模式4(下右对角线) | 由325°方向像素内插得出相应像素值 |
| 模式5(右垂直) | 由296.6°方向像素内插得出相应像素值 |
| 模式6(下水平) | 由333.4°方向像素内插得出相应像素值 |
| 模式7(左垂直) | 由243.4°方向像素内插得出相应像素值 |
| 模式8(上水平) | 由26.6°方向像素内插得出相应像素值 |
4种16×16亮度预测模式：
| 模式 | 描述 |
| 模式0(垂直) | 由上边像素推出相应像素值 |
| 模式1(水平) | 由左边像素推出相应像素值 |
| 模式2(DC) | 由上边和左边像素平均值推出相应像素值 |
| 模式3(平面) | 利用线形“plane”函数及左、上像素推出相应像素值 |
H.264标准规定采用率失真优化(Rate-Distortion Optimization/RDO)算法对上述13种预测模式依次遍历寻找最优预测模式。RDO算法包含整数余弦变换、量化、反量化、反变换过程，对所有13种模式进行RDO运算量大，运算复杂程度高。本发明提供一种帧内预测算法，能够利用帧间运动向量简化帧内模式选择算法，在不对编码图像信噪比造成过大影响的前提下提高运算速度。
(三)发明内容
本发明要解决的问题是提供一种快速H.264帧内模式选择算法，这种算法能够在保证编码图像质量的前提下加快编码速度。
帧内预测编码是依靠每一帧图像的空间相关性完成的，采用宏块或子块上方和左侧已经编码的宏块像素作为预测值对16×16宏块或4×4子块进行预测编码。预测模式选择是对所有模式依次进行率失真优化后选择最优模式。本发明利用视频序列的事件相关性，利用帧间预测的运动向量结合上一帧的帧内模式选择结果对当前编码块预测模式进行预判，跳过部分可能性较小的预测模式，达到简化预测算法的目的。本发明由于用到视频序列中前后帧的时间相关性，所以只适用于不存在B帧的H.264基本档次。
具体包含如下步骤：
1)初始化编码器时建立两个完全相同的参考模式表RefInf0和RefInf1暂存一帧中每个子块的位置、预测模式等信息，具体结构如附图1所示。之所以采取两个完全相同的参考模式表是起到双缓冲的作用，在下文帧内预测的过程中可以从一个表中读取参考模式信息，处理完成后把当前宏块的最优模式写入另一个表中，避免相互干扰。该参考模式表的作用是以4×4子块为单位存储一帧图像各个子块的坐标信息和预测模式，其包含表头信息和4×4子块预测信息两部分。
表头信息包含行子块总数xCount和列子块总数yCount，通过xCount×yCount就能得出图像4×4子块的总和。预测模式信息部分包含每个子块的坐标信息和预测信息，其中预测信息iMode为1Byte数据，最高位为0表示该子块是独立的4×4子块，采用子块预测模式，如果为1表示该子块属于16×16宏块的一部分，采用宏块预测模式，如下表所示：
| iMode(二进制表示) | 对应模式 |
| 00000000 | 4×4垂直模式 |
| 00000001 | 4×4水平模式 |
| 00000010 | 4×4DC模式 |
| 00000011 | 4×4下左对角线模式 |
| 00000100 | 4×4下右对角线模式 |
| 00000101 | 4×4右垂直模式 |
| 00000110 | 4×4下水平模式 |
| 00000111 | 4×4左垂直模式 |
| 00001000 | 4×4上水平模式 |
| 10000000 | 16×16垂直模式 |
| 10000001 | 16×16水平模式 |
| 10000010 | 16×16DC模式 |
| 10000011 | 16×16平面模式 |
2)编码第一帧I帧以及之后的I帧和IDR帧时采用传统方法完全遍历13种帧内预测模式，把每个宏块或子块的最优预测模式存入参考模式表RefInf0：4×4子块的坐标和预测模式信息写入相应位置的子块信息字段，如果采用的是16×16宏块预测模式就把它包含的16个子块位置信息字段都写成该16×16预测模式，如附图2所示。
3)假设此时RefInf0为源表，RefInf1为目标表，编码P帧时，编码器先采用16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8和4×4模式进行帧间预测，得到最佳运动向量，然后根据最佳运动向量得出当前宏块中16个4×4子块所对应的上一帧子块的位置，通过查询RefInf0对应的宏块iMode得到每个4×4子块上一帧对应子块的帧内预测模式，作为该子块的iMode。
4)进行16×16预测，按照如下步骤处理：
a)读取第一个子块的iMode，如果iMode字节最高比特位为1，则将该模式连同DC和plane模式作为16×16候选模式，否则继续；
b)统计当前宏块中所有16个4×4子块的iMode，得到出现概率最高的模式即该16×16块的iMode；
i.如果该模式编号为0、5、7中任意一种，16×16的候选模式编号为0、2、3；
ii 如果该模式编号为1、6、8中任意一种，16×16的候选模式编号为1、2、3；
iii如果该模式编号为2，16×16的候选模式编号为2、3；
iv.如果该模式编号为3、4，16×16的候选模式编号为0、1、2、3。
c)在上面选定的候选模式中进行RDO运算，计算出最佳16×16预测模式，其率失真代价为min_RDCost_16x16。
5)进行4×4预测，按照如下步骤处理：
a)读取第一个子块的iMode，如果iMode字节最高比特位为0，则：
i.如果该模式为0，则4×4候选模式编号为7、0、5、2；
ii 如果该模式为1，则4×4候选模式编号为1、2、6、8；
iii如果该模式为2，则4×4候选模式为所有9种4×4预测模式；
iv.如果该模式为3，则4×4候选模式编号为2、3、7、8；
v.如果该模式为4，则4×4候选模式编号为2、4、5、6；
vi.如果该模式为5，则4×4候选模式编号为1、2、4、5；
vii 如果该模式为6，则4×4候选模式编号为1、2、5、6；
viii.如果该模式为7，则4×4候选模式编号为0、2、5、7
ix.如果该模式为8，则4×4候选模式编号为1、2、6、8。
b)采用上述候选模式通过RDO代价函数计算出所有子块候选模式的率失真代价RDCost_4x4，把每个子块RDCost_4x4最小的模式作为该子块的4×4帧内预测模式。
c)把所有子块的最小率失真代价RDCost_4x4相加，得出该宏块在4×4模式下的代价min_RDCost_4x4。
6)对比上面得到的16×16率失真代价min_RDCost_16x16和4×4率失真代价min_RDCost_4x4，选出代价最小的为该宏块帧内率失真代价min_RDCost，所对应的预测模式即该宏块的帧内预测模式。
7)更新Ref1nf0数据，将上述当前宏块的预测模式写入目标表RefInf1的对应位置中，供下一帧预测使用。
8)当前帧所有宏块编码完成时，交换RefInf0和RefInf1功能，即把RefInf1作为源表，RefInf0作为目标表，继续进行下一帧编码。
通过以上步骤，可以使16×16预测模式从4种减为3种，减少25％以上的运算量，4×4预测候选模式从9种减少为4种，减少50％以上的运算量，在保证模式选择准确性的前提下加快了模式选择速度。
在上述方法中，所述的帧内选择模式编号均为H.264标准中所规定的模式编号，即16×16模式的0-3和4×4模式的0-8；RefInf0和RefInf1中所规定的iMode字段除去最高位0和1作为区别16×16和4×4模式以外，其它比特位的模式编号也是按照H.264标准制定的，只需对最高位清零即可直接作为预测模式序号使用。
在上述方法中，在开启多参考帧模式的情况下，无论当前编码帧的前一帧是否是最优参考帧，本算法所采用的运动向量都是针对当前编码帧前面一帧的运动向量。
(四)附图说明
图1参考模式表RefInf0和RefInf1的结构示意图。
图2编码图像帧内预测模式和所对应的参考模式数据结构示意图。
图3采用运动向量根据参考模式表预测当前帧内模式示意图。
图4本发明采用算法的流程框图。
图5本发明采用算法的流程结构简图。
(五)具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对根据本发明修改帧内模式选择的H.264参考代码JM8.6算法流程进一步进行阐述。
本发明提供了一种快速帧内模式选择算法，该算法借助帧间运动向量通过减少帧内预测候选模式达到削减算法复杂度的目的，具体算法流程根据附图4所示。
编码过程开始时，首先读入一帧数据，判断该帧是I帧还是P帧，然后根据不同帧类型进行编码。在I帧的情况下，对帧内每个宏块进行传统的帧内预测编码，即对所有帧内预测模式进行遍历RDO运算，求出最佳模式。每编码完成一个宏块，把该宏块包含的模式信息写入参考模式表中，直到所有宏块编码完成。
在P帧的情况下，编码器先采用16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8和4×4模式进行帧间预测，得到最佳运动向量，然后根据最佳运动向量得出当前宏块中16个4×4子块所对应的上一桢子块的位置，通过查询RefInf0对应的宏块iMode得到每个4×4子块上一帧对应子块的帧内预测模式，作为该子块的iMode，采取如下步骤进行帧内预测：
1)进行16×16预测，按照如下步骤处理：
a)读取第一个子块的iMode，如果iMode字节最高比特位为1，则将该模式连同DC和plane模式作为16×16候选模式，否则继续；
b)统计当前宏块中所有16个4×4子块的iMode，得到出现概率最高的模式即该16×16块的iMode；
i.如果该模式编号为0、5、7中任意一种，16×16的候选模式编号为0、2、3；
ii.如果该模式编号为1、6、8中任意一种，16×16的候选模式编号为1、2、3；
iii.如果该模式编号为2，16×16的候选模式编号为2、3；
iv.如果该模式编号为3、4，16×16的候选模式编号为0、1、2、3。
c)在上面选定的候选模式中进行RDO运算，计算出最佳16×16预测模式，其率失真代价为min_RDCost_16x16。
2)进行4×4预测，按照如下步骤处理：
a)读取第一个子块的iMode，如果iMode字节最高比特位为0，则：
i.如果该模式为0，则4×4候选模式编号为7、0、5、2；
ii.如果该模式为1，则4×4候选模式编号为1、2、6、8；
iii.如果该模式为2，则4×4候选模式为所有9种4×4预测模式；
iv.如果该模式为3，则4×4候选模式编号为2、3、7、8；
v.如果该模式为4，则4×4候选模式编号为2、4、5、6；
vi.如果该模式为5，则4×4候选模式编号为1、2、4、5；
vii.如果该模式为6，则4×4候选模式编号为1、2、5、6；
viii.如果该模式为7，则4×4候选模式编号为0、2、5、7；
ix.如果该模式为8，则4×4候选模式编号为1、2、6、8。
b)采用上述候选模式通过RDO代价函数计算出所有子块候选模式的率失真代价RDCost_4x4，把每个子块RDCost_4x4最小的模式作为该子块的4×4帧内预测模式。
c)把所有子块的最小率失真代价RDCost_4x4相加，得出该宏块在4×4模式下的代价min_RDCost_4x4。
3)对比上面得到的16×16率失真代价min_RDCost_16x16和4×4率失真代价min_RDCost_4x4，选出代价最小的为该宏块帧内率失真代价min_RDCost，所对应的预测模式即该宏块的帧内预测模式。
4)更新RefInf0数据，将上述当前宏块的预测模式写入目标表RefInf1的对应位置中，供下一帧预测使用。
5)当前帧所有宏块编码完成时，交换RefInf0和RefInf1功能，即把RefInf1作为源表，RefInf0作为目标表，继续进行下一帧编码。
Claims (9)
1.一种基于运动向量的H.264基本档次帧内模式选择方法，包括下列步骤：
1)对I帧或P帧进行判断：在I帧的情况下，进行传统的帧内预测编码，编码完成后把当前宏块包含的模式信息写入参考模式表中，直到所有宏块编码完成；
2)在P帧的情况下，编码器先进行帧间预测，得到最佳运动向量，再根据运动向量通过查询参考模式表获取当前宏块及包含子块的模式字段iMode；
3)进行16×16预测，通过iMode得到参考模式进而确定候选预测模式，对候选预测模式进行率失真优化运算，得到率失真代价最小的模式即为最优16×16预测模式；
4)进行4×4预测，通过iMode得到参考模式进而确定候选预测模式，对候选预测模式进行率失真优化运算，得到率失真代价最小的模式即为最优4×4预测模式；
5)对比最优16×16预测模式和最优4×4预测模式的率失真代价，得出最优宏块预测模式；
6)更新参考模式表，将上述当前宏块的预测模式写入目标表的对应字段中，供下一帧预测使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所描述算法只适用于H.264标准(ISO/IEC 14496-10)的基本档次(Baseline profile)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的参考模式表为该算法特有的数据结构，目的是以4×4子块为单位存储上一帧的帧内预测模式，该表包含以下结构：
1)表头信息：包含行子块总数xCount和列子块总数yCount，长度共4Byte；
2)预测模式信息：包含每个子块的坐标信息和预测信息，坐标信息占用4Byte，模式信息1Byte，每个子块字段共5Byte；
3)子块字段总数由编码图像大小确定，可有表头信息xCount×yCount得出。
4.根据权利要求3所述的数据结构，其特征在于，所述结构部分2)中所描述的1Byte模式信息组成结构：
1)最高比特位：0表示该子块为采用4×4预测模式的独立子块，1表示该子块所属宏块采用16×16预测模式；
2)0-6比特位为帧内预测模式编号，其中4×4预测模式为0-8，16×16预测模式为0-3。
5.根据权利要求4所述的数据结构，其特征在于，所述结构部分2)所描述的帧内预测模式编号为H.264标准定义的帧内预测模式编号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)描述的运动向量是针对当前编码帧前面一帧的运动向量，在开启多参考帧模式的情况下可能不是针对最优参考帧的运动向量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)描述的模式字段iMode即权利要求4中所述的1Byte模式信息。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)描述的根据参考模式得出候选模式的过程为：
1)如果参考模式编号为0、5、7中任意一种，16×16的候选模式编号为0、2、3；
2)如果参考模式编号为1、6、8中任意一种，16×16的候选模式编号为1、2、3；
3)如果参考模式编号为2，16×16的候选模式编号为2、3；
4)如果参考模式编号为3、4，16×16的候选模式编号为0、1、2、3。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)描述的根据参考模式得出候选模式的过程为：
1)如果参考模式为0，则4×4候选模式编号为7、0、5、2；
2)如果参考模式为1，则4×4候选模式编号为1、2、6、8；
3)如果参考模式为2，则4×4候选模式为所有9种4×4预测模式；
4)如果参考模式为3，则4×4候选模式编号为2、3、7、8；
5)如果参考模式为4，则4×4候选模式编号为2、4、5、6；
6)如果参考模式为5，则4×4候选模式编号为1、2、4、5；
7)如果参考模式为6，则4×4候选模式编号为1、2、5、6；
8)如果参考模式为7，则4×4候选模式编号为0、2、5、7；
9)如果参考模式为8，则4×4候选模式编号为1、2、6、8。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110914 |