CN102946538B - 一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法，在前两次初始I帧亮度模块预测时，采用H.264/AVC全搜索算法，这是为了提高后续编码时的阈值精确度，在下一I帧编码时，规避了繁琐复杂的全搜索算法，较大的提高了视频编码效率，然后利用当前预测块和前一帧对应块的相似复杂度，即计算DMADPL=|MADL-MADPL|，利用阈值法反映出的相似度可以直接判断当前帧亮度模块的编码方式，如果超出阈值范围，则再利用计算出当前块与周围块的相似复杂度，就可以快速判断出当前帧亮度模块的编码方式。较好的解决分布式视频编码时帧内预测算法的复杂度，与传统的全遍历搜索算法在没有降低信噪比的情况下，较大的提高了编码速度。

Description

一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法

技术领域

本发明涉及视频编码技术领域，特别涉及分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法，并结合煤矿井下监控环境恶劣、带宽有限和对图像质量的清晰度要求等具体环境条件，具体涉及一种H.264的帧内模式选择方法。

背景技术

H.264/AVC是有ISO/IEC MPEG和IYU-T VCEG共同建立的联合视频工作组JVT制定的，于2003年5月完成，相比以前的视频压缩标准，此标准在视频压缩效率方面有了显著提高。H264/AVC采用了传统的基于宏块和运动补偿的方法，并且新增加了灵活的宏块分割、更高效率的运动估计与补偿、多模式帧内预测等新技术，在整个技术标准中，帧内预测和帧间预测是主要的耗时模块。

H.264/AVC编码标准中，为了提高帧内编码效率引入了帧内预测算法，虽然这种算法能够很好的消除图像的空间冗余，但是这种帧内预测算法具有极高的算法复杂度。在帧内预测算法中，预测分为4×4子块和16×16子块的两种模式，4×4亮度块帧内预测共有9种预测模式，16×16亮度宏块共有4种预测模式，而8×8色度块共有4种预测模式，如果采用全搜索算法(FS)，为选出最佳模式，一个宏块的预测模式必须经过(M4×16+M16)×M8次，即592次，其中M4、M16和M8分别表示4×4像素亮度块、16×16像素亮度块和8×8像素色度块的预测模式数，也就是说每个宏块必须进行592次RDO计算，所以快速帧内预测算法的提出是十分必要的。

同时在煤矿井下视频监控中，除要求清晰的图像质量、低比特率的视频码流，而且还要保证编码、传输的快速实时性，另外，井下视频监控环境相对地面环境，色彩显示不明显、运动速度缓慢和光照度低，基本没有镜头的伸缩和摄像机的云台控制引发的图像，由于井下监控环境的恶劣和较高的误码率，快速帧内预测方法对煤矿井下视频编码速度和误码率的提高都有很重要的意义，为了克服井下视频监控的不良因素和满足井下视频监控的具体要求，本发明结合在煤矿井下监控环境恶劣、带宽有限和对图像质量的清晰度要求等具体环境条件，提出一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法。

发明内容

本发明为了解决井下视频监控在有限的带宽下对图像质量的要求，一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法。

一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法，包括以下步骤：A、对视频序列前两个I帧编码时，采用H.264/AVC全搜索算法进行初始预测，判断出亮度模块编码的最佳帧内编码方式是Intra_4×4模式还是Intra_16×16模式；

B、当判断出前一帧中某个块的帧内编码方式是Intra_4×4模式，在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如果成立，则此块可以直接采用Intra_4×4模式，如果不成立，执行C步骤，其中T₁为帧间判别阈值，T₁取值为上一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_PL，并每隔N₁个I帧更新一次；

C、当DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁不成立，计算下式如果成立，则当前亮度模块编码的编码方式选择Intra_16×16模式，否则，选择Intra_4×4模式，其中T₂为帧内判别阈值，T₂取值为上 一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_L，并每隔N₂个I帧更新一次；

D、在步骤B中如果判断出不是Intra_4×4模式，则在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如果成立，则此帧可以直接采用Intra_16×16模式，如果不成立，执行C步骤；

E、对于8×8色度预测模式，直接设置直流预测模式为默认的8×8色度预测模式；

F、当前帧判断完某个块最佳帧内编码方式以后，继续进行下一块的判断，直到一帧全部判断完每个块的最佳编码方式，则进行下一帧的判断，直到最后一帧判断完最佳帧内编码方式。

所述的方法，所述步骤A中所用H.264/AVC全搜索算法具体包括以下步骤：

步骤A1：对Intra_4×4帧内预测模式建立相应的帧内预测4×4块；

步骤A2：计算此帧内预测4×4块与其对应的原始4×4块之间的绝对差SAD4×4，以及相应的编码比特率；

步骤A3：计算该模式的率失真开销RDCost4×4；

步骤A4：重复以上步骤，遍历所有的9种帧内预测模式；

步骤A5：从步骤A4得到的9种帧内预测模式中选取最小的率失真开销RDCost4×4模式作为最佳4×4帧内预测模式；

步骤A6：对宏块中16个4×4块重复步骤A1到A5，从其9种帧内预测模式从选择每一个4×4块的最佳编码模式和相应的率失真开销RDCost4×4，求和进而获得该宏块的率失真开销RDCost；

步骤A7：按步骤A1到步骤A3的方法计算Intra_16×16帧内预测模式下的率失真开销RDCost16×16，然后遍历其4种帧内预测模式，然后选择宏块率失真开销RDCost16×16最小的模式为最佳的16×16宏块的帧内预测模式；

步骤A8：根据步骤A6和A7中最小的率失真开销，判断亮度模块采用Intra_4×4还是Intra_16×16帧内预测模式；

步骤A9：首先对8×8色度宏块的帧内预测模式计算相应的率失真开销RDCost8×8，重复以上步骤A1到A8，获得相应的宏块组合率失真开销RDCostMB，选择最小的宏块组合率失真开销RDCostMB作为该宏块组合的最佳帧内预测模式。

本发明结合具体的视频监控环境和监控对象，以及井下监控的满足条件，提出的适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法能够在低带宽和恶劣环境下，较好的解决分布式视频编码时帧内预测算法的复杂度，与传统的全遍历搜索算法在没有降低信噪比的情况下，较大的提高了编码速度。

附图说明

图1为本发明专利实施步骤原理图。

图2为4×4亮度块预测模式，模式0是垂直预测，模式1是水平预测，模式2是均值预测(图中未给出)，模式3是左下角对角线预测，模式4是右下角对角线预测，模式5是垂直偏右预测，模式6是水平偏下预测，模式7是垂直偏左预测，模式8是水平偏上预测。

图3为16×16亮度块预测模式，图3(a)是垂直预测，图3(b)是水平预测，图3(c)是均值预测，图3(d)是平面预测。

图4为同一帧内当前块与其周围4个相邻块之间的相似复杂程度计算示意图。

图5为相邻帧相同位置处不同块之间的相似复杂程度计算示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种帧内预测模式快速选择方法主要以下步骤：

A、对视频序列前两个I帧编码时，采用H.264/AVC全搜索算法进行初始预测，判断出亮度模块编码的最佳帧内编码方式是Intra_4×4模式还是Intra_16×16模式。

H.264/AVC的帧内编码支持两种宏块(MB)划分方式，一种是Intra_4×4方式，这种方式需要将MB划分成16个4×4的子块，每个子块单独进行预测编码，称为I4MB，另一种是Intra_16×16方式，这种方式不对MB进行划分，称为I16MB，I4MB对应9种预测模式，如图2所示，I16MB对应4种预测模式，如图3所示；

步骤A中所用H.264/AVC全搜索算法具体包括以下步骤：

步骤A1：对Intra_4×4帧内预测模式建立相应的帧内预测4×4块；

步骤A2：计算此帧内预测4×4块与其对应的原始4×4块之间的绝对差SAD4×4， 以及相应的编码比特率；

步骤A3：计算该模式的率失真开销RDCost4×4；

步骤A4：重复以上步骤，遍历所有的9种帧内预测模式；

步骤A5：从步骤A4得到的9种帧内预测模式中选取最小的率失真开销RDCost4×4模式作为最佳4×4帧内预测模式；

步骤A6：对宏块中16个4×4块重复步骤A1到A5，从其9种帧内预测模式从选择每一个4×4块的最佳编码模式和相应的率失真开销RDCost4×4，求和进而获得该宏块的率失真开销RDCost；

步骤A7：按步骤A1到步骤A3的方法计算Intra_16×16帧内预测模式下的率失真 开销RDCost16×16，然后遍历其4种帧内预测模式，然后选择宏块率失真开销RDCost16×16最小的模式为最佳的16×16宏块的帧内预测模式；

步骤A8：根据步骤A6和A7中最小的率失真开销，判断亮度模块采用Intra_4×4还是Intra_16×16帧内预测模式；

步骤A9：在H.264中分别对亮度分量和色度分量进行帧内预测，步骤A1到A8是亮 度宏块的帧内预测步骤，对于色度宏块，只有一种8×8色度宏块的帧内预测模式，首 先对8×8色度宏块的帧内预测模式计算相应的率失真开销RDCost8×8，重复以上步骤A1到A8，获得相应的宏块组合率失真开销RDCostMB，选择最小的宏块组合率失真开销RDCostMB作为该宏块组合的最佳帧内预测模式；

按以上步骤对步骤A中所述的前两个I帧进行全搜索算法选择最优的帧内编码方式编码。然后计算出第二个I帧中各个块的如图4所示，

其中DMAD是宏块间平均绝对误差的绝对差Differences of MADs的缩写，DMAD_L表示当前块与其上下左右四个块的MAD差的绝对值，用来标识当前块与周围块的相似复杂程度，MAD_L表示当前块的MAD值，MAD_i表示当前块的周围块的MAD值，i取值0到3，并令T1＝DMAD_L，留以后面的步骤使用。

本专利采用平均绝对误差(MAD，即Mean Absolute Deviation的缩写)来判断最佳编码模式是Intra_4×4模式还是Intra_16×16模式，因为一帧内相邻宏块间和相邻帧相应位置的不同块之间都有很高的相似复杂度，可以利用MAD计算出其具体相似程度，就可以快速的判断出当前编码块的最佳编码方式，MAD的具体计算方法是：

$\mathrm{MAD}=\frac{1}{16\×16}\underset{y=0,x=0}{\overset{\mathrm{15,15}}{\mathrm{\Σ}}}|p(x,y)-p_{\mathrm{ave}}|$

其中，p(x，y)当前编码宏块内坐标为(x，y)的亮度像素值，p_ave为当前编码块内所有亮度像素值的平均值。

同时并计算出前两个I帧相同位置不同块之间的MAD，即DMAD_PL，用来判断两个块之间的相似复杂度，有利于在下一帧开始判断时就可以直接确定当前块的最佳编码模式，DMAD_PL的计算如式：DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|；

其中，MAD_L表示前一帧中块的MAD值，MAD_PL表示当前预测帧中与前一帧相应块的MAD值，MAD_L和MAD_PL的计算与MAD的计算方法相同，即 $\mathrm{MAD}=\frac{1}{16\×16}\underset{y=0,x=0}{\overset{\mathrm{15,15}}{\mathrm{\Σ}}}|p(x,y)-p_{\mathrm{ave}}|;$

B、当判断出前一帧中某个块的帧内编码方式是Intra_4×4模式，在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如图5所示，如果成立，则此块可以直接采用Intra_4×4模式，如果不成立，执行C步骤，其中T₁为帧间判别阈值，T₁取值为上一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_PL，并每隔N₁个I帧更新一次，N ₁ 是可以根据具体环境得到的一个经验值，在井下环境中N ₁ 一般取经验值为 30；

C、当DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁不成立，计算下式如果成立，则当前亮度模块编码的编码方式选择Intra_16×16模式，否则选择Intra_4×4模式，其中T₂为帧内判别阈值，T₂取值为上 一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_L，并每隔N₂个I帧更新一次，N ₂ 和N ₁ 一样， 也是可以根据具体环境得到的一个经验值，在井下环境中N ₂ 一般取经验值为20；

D、在B中如果判断出不是Intra_4×4模式，则在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如果成立，则此帧可以直接采用Intra_16×16模式，如果不成立，执行C步骤；

E、对于8×8色度预测模式，直接设置直流预测模式为默认的8×8色度预测模式。

色度宏块包含U、V两个色度分量宏块，在进行8×8色度宏块帧内预测时，对两个宏块使用相同的预测模式，对于每一个色度宏块，共有64个被预测像素，本专利综合考虑具体井下监控环境和视频图像质量要求，直接采用直流(DC)预测模式作为8×8色度预测的默认模式，以减少不必要的资源浪费，又能保证井下视频监控所需要的图像质量要求，提高编码效率；

F、当前帧判断完某个块最佳帧内编码方式以后，继续进行下一块的判断，直到一帧全部判断完每个块的最佳编码方式，则进行下一帧的判断，直到最后一帧判断完最佳帧内编码方式。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种适合井下分布式视频编码中的快速帧内模式选择方法，其特征在于，包括以下步骤：A、对视频序列前两个I帧编码时，采用H.264/AVC全搜索算法进行初始预测，判断出亮度模块编码的最佳帧内编码方式是Intra_4×4模式还是Intra_16×16模式；

B、当判断出前一帧中某个块的帧内编码方式是Intra_4×4模式，在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如果成立，则此块可以直接采用Intra_4×4模式，如果不成立，执行C步骤，其中T₁为帧间判别阈值，T₁取值为上一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_PL，并每隔N₁个I帧更新一次；

其中，MAD为平均绝对误差，DMAD是宏块间平均绝对误差的绝对差，DMAD_L表示当前块与其上下左右四个块的MAD差的绝对值，用来标识当前块与周围块的相似复杂程度，MAD_L表示当前块的MAD值，MAD_i表示当前块的周围块的MAD值，i取值0到3，并令T1＝DMAD_L，留以后面的步骤使用，DMAD_PL为前两个I帧相同位置不同块之间的MAD，MAD_PL表示当前预测帧中与前一帧相应块的MAD值；

C、当DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁不成立，判断下式如果成立，则当前亮度模块编码的编码方式选择Intra_16×16模式，否则，选择Intra_4×4模式，其中T₂为帧内判别阈值，T₂取值为上一个I帧预测编码时计算得到的DMAD_L，并每隔N₂个I帧更新一次；

D、在步骤B中如果判断出不是Intra_4×4模式，则在进行下一个I帧预测编码时，首先判断DMAD_PL＝|MAD_L-MAD_PL|≤T₁是否成立，如果成立，则此帧可以直接采用Intra_16×16模式，如果不成立，执行C步骤；

E、对于8×8色度预测模式，直接设置直流预测模式为默认的8×8色度预测模式；

F、当前帧判断完某个块最佳帧内编码方式以后，继续进行下一块的判断，直到一帧全部判断完每个块的最佳编码方式，则进行下一帧的判断，直到最后一帧判断完最佳帧内编码方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中所用H.264/AVC全搜索算法具体包括以下步骤：

步骤A1：对Intra_4×4帧内预测模式建立相应的帧内预测4×4块；

步骤A2：计算此帧内预测4×4块与其对应的原始4×4块之间的绝对差SAD4×4，以及相应的编码比特率；

步骤A3：计算该模式的率失真开销RDCost4×4；

步骤A4：重复以上步骤，遍历所有的9种帧内预测模式；

步骤A5：从步骤A4得到的9种帧内预测模式中选取最小的率失真开销RDCost4×4模式作为最佳4×4帧内预测模式；

步骤A6：对宏块中16个4×4块重复步骤A1到A5，从其9种帧内预测模式中选择每一个4×4块的最佳编码模式和相应的率失真开销RDCost4×4，求和进而获得该宏块的率失真开销RDCost；

步骤A7：按步骤A1到步骤A3的方法计算Intra_16×16帧内预测模式下的率失真开销RDCost16×16，然后遍历其4种帧内预测模式，然后选择宏块率失真开销RDCost16×16最小的模式为最佳的16×16宏块的帧内预测模式；

步骤A8：根据步骤A6和A7中最小的率失真开销，判断亮度模块采用Intra_4×4还是Intra_16×16帧内预测模式；

步骤A9：首先对8×8色度宏块的帧内预测模式计算相应的率失真开销RDCost8×8，重复以上步骤A1到A8，获得相应的宏块组合率失真开销RDCostMB，选择最小的宏块组合率失真开销RDCostMB作为该宏块组合的最佳帧内预测模式。