CN103503461A - 用于非正方形预测单元中的变换单元的残余四叉树结构 - Google Patents

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Abstract

比特流包括编译码图片和用于生成变换树的分割标志。比特流是编译码单元（CU）到预测单元（PU）的划分。根据分割标志生成变换树。变换树中的节点表示与CU关联的变换单元（TU）。生成步骤仅当设置了对应的分割标志时才分割各TU。对于包括多个TU的各PU，多个TU被合并为更大的TU，并且根据分割和合并来修改变换树。然后，能够根据变换树使用与PU关联的TU来解码各PU中包含的数据。

Description

用于非正方形预测单元中的变换单元的残余四叉树结构
技术领域
本发明一般地涉及对图片进行编译码，并且更具体地涉及一种在对图片进行编码和解码的情况下使用分级变换单元对图片进行编译码的方法。
背景技术
对于当前作为H.264/MPEG-4AVC而正在开发的高效视频编码（HEVC）标准来说，如“Video Compression Using Nested Quadtree Structures,Leaf Merging,andImproved Techniques for Motion Representation and Entropy Coding,”（IEEE Transactionson Circuits and Systems for Video Technology,vol.20,no.12,pp.1676-1687,2010年12月）中所描述的，由树来表示TU对于残余块的应用。
编译码层
在标准中定义的分级编译码层包括视频序列、图片、片段和树块层。较高的层包含较低的层。
树块
根据所提出的标准，图片被划分为片段，并且各片段被划分为在光栅扫描中被连续编号的一系列树块（TB）。图片和TB在广义上分别与诸如H.264/AVC的之前的视频编译码标准中的帧和宏块类似。TB的最大容许大小为64×64像素亮度（光强）和色度（颜色）采样。
编译码单元
编译码单元（CU）是用于帧内和帧间预测的分割的基本单元。帧内预测在单个图片的空间域中进行操作，而帧间预测在待预测的图片与一组之前解码的图片之间在时域中进行操作。CU通常为正方形的，并且能够为128×128（LCU）、64×64、32×32、16×16和8×8像素。CU允许从TB开始分割为四个等大块的递归分割。该处理提供了由能够与TB一样大或小至8×8像素的CU块构成的内容适应编译码树结构。
预测单元（PU）
预测单元（PU）是用于携带与预测处理相关的信息（数据）的基本单元。一般来说，PU不限于为了方便匹配例如图片中的真实对象的边界的划分而是正方形的形状。每个CU可以包含一个或更多PU。
变换单元（TU）
如图1中所示，变换树100的根节点101对应于应用于数据块110的N×NTU或“变换单元”（TU）。TU是用于变换和量化处理的基本单元。在所提出的标准中，TU常常是正方形的并且其大小能够处于4×4像素至32×32像素的范围内。TU不能大于PU并且不超过CU的大小。多个TU能够被布置在树结构（下面称为变换树）中。每个CU可以包含一个或更多TU，其中，多个TU能够被布置在树结构中。
示例的变换树是具有四级0-3的四叉树。如果变换树一次分叉，则应用四个N/2×N/2TU。这些TU中的每一个能够被接下来细分到预定极限。对于帧内编码图片，对帧内预测残余数据的“预测单元”（PU）应用变换树。这些PU当前被定义为大小为2N×2N、2N×N、N×2N或N×N像素的正方形或矩形。对于帧内编码图片，正方形TU必须被整体包含在PU内，从而最大允许的TU大小通常为2N×2N或N×N像素。在图1中示出了该变换树内的a-j TU与a-j PU之间的关系。
如图2中所示，对于所提出的HEVC标准已经提出了一种新的PU结构，如Cao等人的“CE6.b1Report on Short Distance Intra Prediction Method(SDIP)”（JCTVC-E278，2011年3月）所描述的。利用该SDIP方法，PU能够为条形或矩形201并且最小的宽度为一个或两个像素（例如，N×2、2×N、N×1或1×N像素）。当将变换树覆盖在已经被划分为这样窄的PU的帧内编码块上时，变换树被分割为TU的大小仅为2×2或1×1的级别。TU大小不能大于PU大小；否则，变换和预测处理变得复杂。现有技术的利用这些新的PU结构的SDIP方法定义为例如1×N和2×N TU。由于矩形的TU大小，现有技术不适合HEVC标准的当前草拟规格中的变换树结构。SDIP没有使用在标准中要求的变换树，相反地，利用PU的大小隐含地指示TU大小。
因此，需要一种对于矩形（有时非常窄的矩形）PU分割并且应用正方形和矩形的TU同时保持所提出的标准所定义的TU的树结构的方法。
发明内容
比特流包括编译码图片和分割标志。分割标志用于生成变换树。实际上，比特流将编译码单元（CU）划分为预测单元（PU）。
根据分割标志生成变换树。变换树中的节点表示与CU关联的变换单元（TU）。
仅当设置了对应的分割标志时，生成步骤才分割每个TU。
对于包括多个TU的各PU，多个TU被合并为更大的TU，并且根据分割和合并来修改变换树。
然后，能够根据变换树使用与PU关联的TU来解码各PU中包含的数据。
附图说明
图1是根据现有技术的变换单元的树分割的图；
图2是根据现有技术的分解为矩形预测单元的图；
图3是本发明的实施方式所使用的示例性解码系统的流程图；
图4是根据本发明的变换树生成的第一步骤的图；以及
图5是根据本发明的变换树生成的第二步骤的图。
具体实施方式
本发明的实施方式提供了一种使用分级变换单元（TU）对图片进行编译码的方法。编译码包括编码和解码。通常来说，在编码解码器（CODer-DECcoder）中执行编码和解码。编码解码器是能够对数字数据流或信号进行编码和/或解码的装置或计算机程序。例如，编码器对比特流或信号进行编码以便于压缩、传输、存储或加密，并且解码器对编码的比特流进行解码以便于回放或编辑。
该方法对于图片的矩形（有时非常窄的矩形）的部分应用正方形和矩形TU同时保持高效视频编码（HEVC）标准中所定义的变换单元（TU）的分级变换树结构。变换能够被指变换或逆变换。在优选实施方式中，变换树是四叉树（Q-tree），然而，也可以使用其它树结构，例如，二叉树（B-tree）和八叉树（概括而言，N叉树）。
该方法的输入是划分为预测单元（PU）的N×N编译码单元（CU）。我们的方法生成用于将TU应用于PU的变换树。
解码系统
图3示出了本发明的实施方式所使用的示例性解码器和方法系统300，即由解码器（其能够是现有技术中已知的软件、固件或连接到存储器和输入/输出接口的处理器）执行本方法的步骤。
方法（或解码器）的输入是编译码图片（例如，视频中的图像或一系列图像）的比特流。比特流被解析310以获得用于生成变换树的分割标志311。分割标志与变换树221的对应的节点的TU、待处理的数据312（例如，N×N个数据块）关联。数据包括编译码单元（CU）到预测单元（PU）的划分。
换言之，任何节点表示变换树中给定深度处的TU。在大多数情况下，仅实现了叶节点处的TU。然而，编码解码器能够实施变换树的分级中的更高级别的节点处的TU。
分割标志用于生成320变换树321。然后，根据变换树来解码PU中的数据以产生解码后的数据302。
生成步骤320包括：仅当设置了分割标志311时分割350各TU。
对于包括多个TU的各PU，多个TU被合并为更大的TU。例如，能够利用两个8×8TU来划分16×8PU。这两个8×8TU能够合并为1个16×8TU。在另一示例中，将64×64正方形PU划分为十六个8×32TU。这些TU中的四个被合并为32×32正方形TU，并且其它TU保持为8×32矩形。合并解决现有技术中具有很多非常小的（例如，1×1）TU的问题（参见Cao等人）。然后，根据分割和合并来修改370变换树321。
能够重复385分割、划分、合并和修改的步骤直到TU的大小等于预定的最小值380。
在已经生成320了变换树之后，能够使用与PU关联的TU来解码各PU中包含的数据312。
现在描述各种实施方式。
实施方式1：
图4示出了输入的CU到PU312的划分312、根据分割标志的PU的迭代分割350（或无）以及接下来的合并。
步骤1：变换树的根节点对应于覆盖N×N PU312的最初的N×N TU。如图3中所示，由解码器300接收到的比特流301包含与该节点关联的分割标志311。如果没有设置分割标志401，则不分割对应的TU，并且对于该节点的处理完成。如果设置了分割标志402，则将N×N TU分割为TU403。所产生的TU的数目对应于树的结构，例如，在四叉树的情况下，TU的数目为四。注意的是，通过分割产生的TU的数目可以改变。
然后，解码器确定PU包括多个TU。例如，矩形PU包括多个TU，例如，两个正方形TU，每个TU的大小为N/2×N/2。在该情况下，该PU中的多个TU被合并404为与PU的尺寸一致的N×N/2TU或N/2×N矩形TU405。矩形PU和TU能够包括对应于长度的长轴和对应于宽度的短轴。将正方形TU合并为更大的矩形TU消除了现有技术中的长而窄的矩形能够被分割为很多小的正方形TU的问题（参见Cao等人）。合并还减少了PU中的TU的数目。
具有很多小的TU常常没有具有一些较大的TU那么高效，特别是在这些TU的尺寸很小的情况下，或者在多个TU覆盖类似数据的情况下。
然后对变换树进行修改。与第一N/2×N/2TU406对应的变换树的分支被细化为对应于合并后的矩形TU，并且消除了对应于第二合并后的TU的变换树的分支。
步骤2：对于在步骤1中生成的各节点，如果TU的大小等于预定的最小值，则对于该节点的处理结束。各剩余的节点在设置了相关的分割标志的情况下或者在针对该节点的TU没有整体包含在PU内的情况下被进一步分割。
然而，与步骤1不同的是，如图5中所示，由于PU能够具有任意形状和大小，因此，分割节点的方式取决于PU的形状。如下面所描述的步骤2a或步骤2b中那样执行该分割。能够预先进行寻找比特流中的分割标志还是在TU覆盖超过一个PU时进行分割的决定，即系统被定义为使得在比特流中信令分割标志或者基于诸如最小或最大的TU大小来推断分割标志，或者根据TU是否横跨多个PU来推断分割标志。
隐式分割标志
或者，能够从比特流301中解析出“隐式分割标志”。如果没有设置隐式分割标志，则对于对应的节点信令分割标志。如果设置了隐式分割标志，则对于该节点不信令分割标志，并且基于预定义的分割条件来进行分割判定。预定义的分割条件能够包括诸如TU是否横跨多个PU或者是否满足TU大小限制的其它因素。在该情况下，在分割标志（如果有的话）前接收隐式分割标志。
例如，能够在各节点前、在各变换树前、在各图像或视频帧前或者在各视频序列前接收隐式分割标志。对于帧内PU，不允许TU横跨多个PU，这是因为从一组相邻的PU预测PU，因此这些相邻的PU将被完全解码、逆变换并且重构以用于预测当前的PU。
在另一示例中，不能设置隐式标志，但是预定义的度量或条件用于在不要求存在分割标志的情况下判定是否分割节点。
步骤2a：如果用于该节点的TU是正方形的，则处理返回步骤1，将该节点作为新的根节点来处理并且将其分割为四个正方形TU（例如，大小为N/4×N/4）。
步骤2b：如果用于该节点的TU是矩形的（例如，N/2×N），则该节点被分割为对应于N/4×N TU的两个节点。类似地，N×N/2TU被分割为对应于N×N/4TU的两个节点。该处理然后对于各节点重复步骤2，确保矩形TU被沿着长轴的方向进行分割，从而矩形TU变得更细。
实施方式2：
在该实施方式中，修改步骤2b使得与矩形TU关联的节点被分割为多个节点（例如，四个节点和四个TU）。例如，N/2×N TU被分割为四个N/8×N TU。这样划分为更大数目的TU的方式对于PU中的数据对于PU中的不同部分来说是不同的情况来说是有益的。与要求二叉树的两级来将一个矩形TU分割为四个矩形TU不同的是，该实施方式仅要求一个四叉树级别，并且因此仅要求一个分割标志将一个TU分割为四个矩形TU。该实施方式能够被预先定义，或者能够以与信令隐式标志的方式类似的方式作为比特流中的“多分割标志”来进行信令。
实施方式3：
这里，修改步骤1使得与正方形TU关联的节点没有被合并而变为矩形，除非正方形TU的大小小于预定义的阈值。例如，如果阈值为四，则矩形的8×4PU可以由两个4×4TU覆盖。然而，4×2PU可以不被两个2×2TU覆盖。在该情况下，应用实施方式1，并且将两个节点合并以形成4×2TU以覆盖4×2PU。该实施方式对于由于性能或复杂性考虑而优选正方形TU的情况来说是有用的，并且仅当正方形TU由于其小的尺寸而损失高效性时才使用矩形TU。
实施方式4
在该实施方式中，修改步骤2b使得与矩形TU关联的节点能够被分割以形成多于两个的正方形或矩形TU，其中分割不必与矩形的较长的尺寸一致。例如，16×4TU能够被分割为四个4×4TU或两个8×4TU。分割为正方形或矩形TU的选择能够由比特流中的标志明确地指示（与隐式标志的情况相同）或者能够作为编码/解码处理的一部分而预先进行定义。
该实施方式通常用于非常大的矩形TU（例如，64×16），从而使用八个16×16TU来代替两个64×8TU。另一示例将64×16TU分割为四个32×8TU。例如，非常长的水平TU能够产生诸如水平方向上的振铃的缺陷，因此该实施方式通过减小矩形TU的最大长度来减少缺陷。该最大长度也可以作为信号包括在比特流中。类似地，能够指定最大宽度。
实施方式5：
在该实施方式中，修改步骤1使得N×N TU被直接分割为矩形TU（即，除了N/2×N/2之外的尺寸）。例如，N×N TU能够被分割为四个N/4×N TU。该实施方式与实施方式2的不同之处在于，尽管PU可以为正方形，但是正方形TU能够被直接分割为多个矩形TU。
该实施方式对于下述情况是特别有用的，该情况为：PU中的特征是水平或垂直取向是有用的，从而与特征的方向一致的水平或垂直的矩形TU能够比分割PU中的取向数据的多个正方形TU更高效。特征能够包括颜色、边缘、脊、角、物体和其它关注点。如前，能够预先定义或信令（与隐式分割标志的情况类似）是否进行该种分割。
实施方式6
在该实施方式中，修改步骤1使得TU能够横跨多个PU。这能够在PU是帧间预测时发生。例如，使用来自之前解码的图片的数据而不是来自同一CU内解码的数据来预测帧间预测的PU。因此变换能够应用于CU内的多个PU。

Claims (20)

1.一种对图片进行编译码的方法，所述方法包括下述步骤：
解析包括编译码图片的比特流以获得分割标志，所述分割标志用于生成变换树以及编译码单元（CU）到预测单元（PU）的划分；
根据所述分割标志生成所述变换树，其中，所述变换树中的节点表示与所述CU关联的变换单元（TU），其中，生成步骤进一步包括：
仅当设置了所述分割标志时才对各TU进行分割；
对于包括多个TU的每个PU，将所述多个TU合并为更大的TU；
根据所述分割和所述合并修改所述变换树；以及
根据所述变换树，使用与所述PU关联的所述TU来对各PU中包含的数据进行解码。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，正方形TU被分割为多个矩形TU。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
重复分割步骤、合并步骤和修改步骤，直到各TU的大小等于预定的最小值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当针对特定节点的TU没有完全包含在所关联的PU内时，继续进行所述重复。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比特流包括隐式分割标志，并且如果没有设置所述隐式分割标志，则对于所述变换树中的对应节点，在所述比特流中信令所述分割标志。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述比特流包括隐式分割标志，并且仅当设置了所述隐式分割标志并且满足预先定义的分割条件时进行所述重复。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，矩形TU的分割沿着所述矩形TU的长轴的方向。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分割产生多于两个的TU。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TU的最大长度或最大宽度被减小。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述PU具有任意形状和大小。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分割产生矩形TU。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，水平矩形TU和垂直矩形TU与PU中的特征的方向一致。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述PU包含视频数据的一部分。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述PU包含从预测处理获得的残余数据。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变换树是N叉树。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，矩形TU的分割沿着短轴的方向。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，正方形或矩形TU被合并为更大的TU。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述N叉树的N的值对于所述变换树的不同节点是不同的。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，当PU被帧间预测时，所述TU横跨多个PU。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TU由所述变换树的叶节点表示。
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