CN102300086A - 对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，该方法包括对亮度参考帧像素边界进行外扩和对亮度运动补偿参考样本位置进行限定两部分，其中，对亮度参考帧像素边界进行外扩，是将亮度分量向参考帧边界四周分别扩展12个像素点，将色度分量根据不同的图像色度格式向参考帧边界四周分别扩展4个或8个像素点；对亮度运动补偿参考样本位置进行限定，是在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围。利用本发明，极大的减少了计算量，提高了运动补偿过程的解码速度，解决了嵌入式平台上AVS解码器运动补偿时插值计算速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字视频编解码技术领域，具体的说是一种解码端参考帧边界扩展和运动补偿方法。
背景技术
音视频编解码标准(Audio Video coding Standard，AVS)是中国自主制定的音视频编解码技术标准，是数字电视、宽带网络流媒体、移动多媒体、激光视盘等数字音视频产业群的共性基础标准。
在运动估计时，AVS亮度分量插值精确到采用1/4精度像素插值，色度采用1/8精度像素双线性插值。其中亮度像素插值中1/2像素插值使用四抽头滤波器(-1，5，5，-1)进行滤波，1/4像素插值部分第点使用四抽头滤波器(1，7，7，1)进行滤波，部分点采用线性插值进行滤波。色度1/8精度插值计算采用双线性插值，其公式为predMatrix[x，y]＝Clip 1(((8-dx)×(8-dy)×A+dx×(8-dy)×B+(8-dx)×dy×C+dx×dy×D+32)＞＞6)。图1给出了参考图像整数样本、1/2样本和1/4样本的位置，其中用大写字母A、B、C、D、……、L标记的为整数样本位置，用小写字母b、h、j、m、......、s标记的为1/2样本位置，用小写字母a、c、d、e、......、r标记的为1/4样本位置。图5表示1/8色度插值时参考样本和预测样本的位置关系，大写字母A、B、C和D表示参考样本的位置，dx和dy分别表示预测样本与A的水平和垂直距离距离，8-dx和8-dy分别表示预测样本与D的水平和垂直距离。
在解码端运动补偿时，亮度的整像素插值、1/2像素插值、1/4像素插值以及色度1/8像素插值计算增加了实现的复杂度。统计结果表明，亮度和色度像素插值的计算占用了解码器解码时间开销的50％左右，成为影响解码速度的关键模块。因此运动补偿特别是像素插值算法直接决定了整个视频解码器的执行效率。
在嵌入式应用中，由于片内空间有限，而参考帧数据量又非常大，因此参考帧数据通常只能存储于片外。众所周知，处理器访问片内存储器与片外存储器存在巨大的效率差距，为提高处理器的利用效率，必须将耗时的计算操作放到片内进行，由此需要将运动补偿所需的参考帧数据从片外读取到片内。受片内存储资源制约，实际应用中不可能在片内开辟一个与片外同等大小的空间来接收片外存储器数据，因此，片内存储空间上的每一块数据都有一个生存周期，即首先从片外读取到片内，进行运动补偿及亚像素插值操作，最后进行去块效应滤波。滤波后的数据需要搬运到片外，如此便完成了该数据在片内的一个周期，对于一帧视频而言，需要依次完成所有块的操作。
如果在插值过程中所参考的整数样本在参考图像外，应用该图像内距离参考样本最近的整数样本(边缘或角样本)代替，即运动矢量能指向参考图像外的样本。为防止运动补偿时参考块超界，AVS对每一个像素点进行了超界限定，将每一个亮度参考样本点x分量限定在0到图像宽度减1，y分量限定在0到图像高度减1的范围之内；每一个色度参考样本点x分量限定在0到图像色度宽度减1，y分量限定在0到图像色度高度减1的范围之内。因此将该程序移植到嵌入式平台上时，对于参考点的样本需要两个操作，超界限定和从片上外存直接读取数据到片上内存，这两个操作严重影响了程序的执行速度。
为了解决AVS分像素插值计算速度慢的问题，目前比较常见的有两种改进做法。第一种做法是对边界进行预判断，在运动补偿时，首先判断参考块是否可能出界，如果参考块指向参考图像外界的参考像素点，则需要限定边界，用参考图像内距离参考块样本最近的整数样本(边缘或角样本)代替参考块样本值进行插值计算；如果参考块指向图像内的参考像素点，则不需要边界限定，直接用参考图像内的像素进行插值计算。该方法的缺点是：(1)、需要将插值函数分为两部分，而且每次插值之前需要判断是否要进行边界限定。(2)、对于参考块指向图像内时，能够用DMA从片外参考帧存储器搬运参考块数据到片内存储器，进行插值计算；但是当参考块指向图像外界时，由于不能直接判定插值计算所需要的数据在存储空间上是否连续，一般不再使用DMA从片外参考帧存储器搬运参考块数据到片内存储器，而是对参考像素点限定边界后，直接从片外存储器读取数据到片内存储器，之后进行插值计算。
第二种做法是对参考帧图像边界进行扩展，将亮度和色度样本宽度都扩展16个或21个像素点，扩展像素点的值等于图像边界上最近像素点的值，扩展后四个角上扩展像素点的值分别等于对应图像上四个顶角的值。该做法的问题是：如果预测样本超出扩展后的参考帧边界时，那么不能正确的从参考帧获取参考数据，从而导致插值得到的块数据出错。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，以解决嵌入式平台上AVS解码器运动补偿时插值计算速度慢的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，该方法包括对亮度参考帧像素边界进行外扩和对亮度运动补偿参考样本位置进行限定两部分，其中，对亮度参考帧像素边界进行外扩，是将亮度分量向参考帧边界四周分别扩展12个像素点，将色度分量根据不同的图像色度格式向参考帧边界四周分别扩展4个或8个像素点；对亮度运动补偿参考样本位置进行限定，是在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围。
上述方案中，所述将亮度分量向参考帧边界四周分别扩展12个像素点，是将亮度分量向图像的上下两边和左右两边分别扩展12行和12列的像素点。
上述方案中，所述将色度分量根据不同的图像格式向参考帧边界四周分别扩展4个或8个像素点，是将色度分量向图像的上下两边和左右两边分别扩展4行4列或8行8列的像素点。
上述方案中，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于亮度分量，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-10到图像宽度加1之间，参考样本点y分量限定在-10到图像高度加1之间。
上述方案中，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像格式是4:2:0时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-4到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-4到色度高度减1。
上述方案中，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像格式是4:2:2时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-4到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-8到色度高度减1。
上述方案中，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像色度格式为4:4:4时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-8到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-8到色度高度减1。
上述方案中，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，是在运动补偿时仅限定参考块中第一个参考像素点的位置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，由于在插值计算时只需要限定参考块第一个像素点，因此极大的减少了计算量，提高了运动补偿过程的解码速度，解决了嵌入式平台上AVS解码器运动补偿时插值计算速度慢的问题。
2、本发明提供的这种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，适用于编码端任意大小的运动矢量，打破了运动补偿的瓶颈。
附图说明
图1是整数样本、二分之一样本和四分之一样本的位置示意图；
图2是限定重建参考像素点边界和参考帧边界扩展的解码流程图；
图3是通过DMA方式得到亮度插值参考块的示意图，其中M和N的值可能取8，11或13；
图4是亮度边界扩展的示意图；
图5是八分之一色度插值的示意图；
图6是色度边界扩展的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
为了解决嵌入式平台上AVS解码器运动补偿时插值计算速度慢的问题，本发明提出了一种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法。该发明不仅提高了解码器执行效率，同时能够适应编码端任意大小的运动矢量搜索范围。
图2表示在帧解码过程中对带有限定重建参考块像素点边界和参考帧边界进行扩展的解码流程图。通常编码时第一帧的帧类型为I帧，接下来的帧类型可能是I帧、P帧或B帧，与编码端对应的解码端在解码过程中首先解码第一帧的数据，当每一个宏块解码滤波后，对处于图像边界上的宏块进行边界外像素扩展，将外扩数据输出到参考帧边界外，之后将宏块数据输出到参考帧；如果宏块位于图像内时直接将宏块数据输出到参考帧，依次对每一个宏块进行处理，直到一帧中的所有宏块都处理完时，一帧解码结束。接下来解码随后的一帧数据，如果需要对块进行重建，则只需要对当前解码块对应的参考块中的第一个像素点的位置限定坐标，则该块中的其它参考像素点也相应的限定在一定的坐标范围之内。于是在获取参考像素点的数据时可以用DMA从片外内存搬运数据到片上内存。其中对参考帧边界进行扩展是在环路滤波结束后执行，目的是为运动补偿时超出图像边界外的参考块提供参考像素点；对运动补偿参考块水平方向和垂直方向的位置进行限定，是为了能够在扩展后的图像内得到参考样本点，进行插值计算。该方法具体包括以下两部分：
1)、对亮度参考帧像素边界进行外扩；
在AVS视频中，亮度运动补偿是以8×8块为单位进行。在运动补偿时，根据运动矢量的不同取值，可能的补偿技术包括整像素运动补偿、1/2像素运动补偿和1/4像素运动补偿。其中整像素运动补偿需要读取的亮度参考块大小为8×8；1/2像素运动补偿中1/2样本位置采用4抽头滤波器计算，滤波系数为(-1，5，5，-1)，需要读取的亮度参考块最大为11×11；1/4像素运动补偿中的1/4样本位置通过4抽头滤波器计算得到，滤波系数为(1，7，7，1)，需要读取的亮度参考块最大为13×11或11×13，即8×8亮度块运动补偿的插值计算最大需要13×13的块数据，这个13×13的块数据是通过DMA的方式从片外存储器传输到片内存储器，如图3所示。同时因为边界外扩时取参考图像中最近的边界点，因此只需要图像的上下两边和左右两边分别扩展12行和12列的像素点。这个边界填充过程在环路滤波结束后通过DMA方式实现数据从片内存储器到片外存储器的传输。如图4所示。
同时色度参考帧像素边界也需要外扩。图5给出了八分之一色度插值时插值样本周围的整数样本值和和预测样本值的关系。
对于4:2:0图像格式，一个16×16亮度宏块对应8×8色度宏块。因为亮度是以8×8块为单位进行运动补偿，与亮度块对应色度块的大小应该为4×4。所以在运动补偿时对于色度分量都是以4×4块为单位进行插值计算。根据色度块的插值算法，每个4×4色度块最多需要的参考块大小为5×5，这个5×5的块数据是通过DMA的方式将数据从片外存储器传输到片内存储器。同时因为边界扩展时取参考图像中最近的边界点，因此只需要图像的上下两边和左右两边分别扩展4行和4列的像素点。这个边界填充过程在环路滤波结束后通过DMA将数据从片内存储器搬运到片外存储器。如图6所示。
2)、对亮度运动补偿参考样本位置进行限定；
因为编码端并没有限定运动矢量的取值范围，所以亮度运动补偿时的参考块可能指向参考帧外的像素点。因此在亮度块运动补偿时，为了能够对指向参考帧边界外的参考像素点进行插值计算，必须限定参考像素点坐标。
同时因为对于8×8亮度块进行插值计算时，最多需要13×13的块。具体做法是在8×8亮度块像素插值前，首先将得到的参考块第一个像素点横向坐标加12，该坐标限定在[2，PictureWidth+13]之间，其中PictureWidth表示图像的宽度；接着将参考块第一个像素点纵向坐标加12，将该坐标限定在[2，PictureHeight+13]，其中PictureHeight表示图像的高度。参考像素点的横向坐标和纵向坐标最小值取2，原因是对于8×8块在1/4像素插值时左边和上边都最多需要两个像素点。参考像素点的横向坐标和纵向坐标最大值分别是图像的宽度加13和图像的高度加13，原因是对于8×8块1/4像素插值时右边和下边最多需要三个像素点，如图1所示。
相比AVS在插值计算时需要对参考块中每一个像素点限定范围的做法，该方法在插值计算时只需要限定参考块第一个像素点，因此极大的减少了计算量。
同时，在色度运动补偿时参考样本位置也需要限定。
对于4:2:0图像格式，因为4×4色度块进行插值计算时最多需要的参考块大小为5×5。在4×4色度块像素插值前，首先将运动补偿时参考样本点的水平坐标加4，将该坐标限定在[0，PictureChmWidth+3]，其中PictureChmWidth表示图像色度分量的宽度；接着将运动补偿时参考样本点的纵向坐标加4，将该坐标限定在[0，PictureChmHeight+3]，其中PictureChmHeight表示图像色度分量的高度。运动补偿参考像素点的横向坐标和纵向坐标最小值取0，原因是色度1/8像素插值时不需要左边和上边的整像素点。运动补偿参考像素点的横向坐标和纵向坐标最大值分别是图像的宽度加3和图像的高度加3，原因是色度1/8像素插值计算时右边和下边最多需要一个整像素点。如图6所示。
同理对于4:2:2图像格式，每一个色度块的大小为4×8，对应运动补偿时的参考块大小为5×9，因此将参考图像的上下两边和左右两边分别扩展8行和4列的像素点。这个边界填充过程在环路滤波结束后通过DMA将数据从片内存储器搬运到片外存储器。
在4×8色度块像素插值前，首先将运动补偿时参考样本点的水平坐标加4，将该坐标限定在[0，PictureChmWidth+3]，其中PictureChmWidth表示色度图像的宽度；接着将运动补偿时参考样本点的纵向坐标加8，将该坐标限定在[0，PictureHeight+7]，其中PictureHeight表示图像的高度。
同理对于4:4:4图像格式，每一个色度块的大小为8×8，对应运动补偿时的参考块大小为9×9，因此只需要将参考图像的上下两边和左右两边分别扩展8行和8列的像素点。这个边界填充过程在环路滤波结束后通过DMA将数据从片内存储器搬运到片外存储器。
在8×8色度块1/8像素插值前，首先将运动补偿时参考参考样本点的水平坐标加8，将该坐标限定在[0，PictureWidth+7]，其中PictureWidth表示图像的宽度；接着将运动补偿时参考样本点纵向坐标加8，将该坐标限定在[0，PictureHeight+7]，其中PictureHeight表示图像的高度。
以4:2:0图像格式的CIF和1920×1080高清图像为例，分析参考帧边界扩展后增加的片外存储器容量。
表1 CIF图像边界扩展前后存储空间比较
表2 1920×1080高清图像边界扩展前后存储空间比较
采用600MHz TMS320DM642DSP芯片，在CCS3.3环境下进行模拟。以40帧的foreman视频，I帧的周期为20，其余为P帧，量化值为28的帧编码模式为例，首先测试本算法和AVS官方版本rm52j_r1提供的不进行边界扩展，限定参考块中每一个参考点的插值算法，其它地方程序保持一致，接着测试本算法和边界预判算法。测试结果如表3所示。
表3三种算法执行周期比较
| 40frame foreman | rm52j_r1(cycle) | 边界预判算法(cycle) | 本算法(cycle) |
| Total cycles | 4.1×109 | 1.2×109 | 5.9×108 |
由表3可以看出本算法在程序的执行效率上要明显高于rm52j_r1算法和边界预判算法。但是本算法参考帧的存储空间均高于以上两种算法。
与参考帧图像边界进行扩展算法，即将亮度和色度样本宽度都扩展16个或21个像素点相比，本算法可以适应预测样本超出扩展后的参考帧边界情况，从而能够保证插值得到正确的块数据。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，该方法包括对亮度参考帧像素边界进行外扩和对亮度运动补偿参考样本位置进行限定两部分，其中，对亮度参考帧像素边界进行外扩，是将亮度分量向参考帧边界四周分别扩展12个像素点，将色度分量根据不同的图像色度格式向参考帧边界四周分别扩展4个或8个像素点；对亮度运动补偿参考样本位置进行限定，是在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围。
2.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述将亮度分量向参考帧边界四周分别扩展12个像素点，是将亮度分量向图像的上下两边和左右两边分别扩展12行和12列的像素点。
3.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述将色度分量根据不同的图像格式向参考帧边界四周分别扩展4个或8个像素点，是将色度分量向图像的上下两边和左右两边分别扩展4行4列或8行8列的像素点。
4.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于亮度分量，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-10到图像宽度加1之间，参考样本点y分量限定在-10到图像高度加1之间。
5.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像格式是4:2:0时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-4到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-4到色度高度减1。
6.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像格式是4:2:2时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-4到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-8到色度高度减1。
7.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，对于色度分量，当图像色度格式为4:4:4时，是将运动补偿参考样本点x分量限定在-8到色度宽度减1，参考样本点y分量限定在-8到色度高度减1。
8.根据权利要求1所述的对参考帧边界进行扩展和对运动补偿参考样本位置进行限定的方法，其特征在于，所述在运动补偿时将运动补偿参考样本位置限定在一定的范围，是在运动补偿时仅限定参考块中第一个参考像素点的位置。
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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: 20111228 |