CN103686169A - 一种基于宏块特征的帧内预测快速算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宏块特征的帧内预测快速算法，包括如下步骤：步骤一、计算亮度宏块的相邻平均差值和即SDAM值；步骤二、设定一个最低阀值和一个最高阀值；步骤三、将SDAM值与最低阀值和最高阀值比较，判定宏块类型并选择相应的帧内预测模式；步骤四、找出最佳帧内预测模式。本发明提出了平均差值和SDAM的宏块特征值计算方法，通过设定一系列判定条件，对于能够判定宏块类型的待编码块只采用16×16或者4×4一种帧内预测方式，从而减少因计算编码代价而产生的运算量；对于宏块类型难以判断的情况则采用全搜索方式，从而保证了编码的准确性。

Description

一种基于宏块特征的帧内预测快速算法

技术领域

本发明涉及本发明涉及互联网通信技术领域，具体涉及一种基于宏块特征的帧内预测快速算法。

背景技术

随着信息技术和互联网技术的的飞快发展，现代通信方式也发生了很大的变化，视频信息成为现代通信领域的主要信息载体，数字视频压缩技术也随之出现。

H.264视频压缩编码标准于2003年5月由国际电信联盟（ITU-T）的视频编码专家组（VCEG）和国际标准化组织（ISO/IEC）的运动图像专家组（MPEG）共同发布。作为新一代的视频编码标准，H.264在继承前面视频编码标准优点的同时，引进了许多先进的视频编码技术，不仅具有优异的压缩性能，并且还具有良好的网络亲和性，能够更好地适应不同的网络环境。然而由于各种新技术的引入，使得H.264视频编码复杂度大大提高，难以满足实时通信需求。因此，如何在保证视频质量的前提下尽可能提升编码效率，降低运算复杂度成为了研究H.264视频编码标准的重要方向。

视频编码的主要目的就是用尽可能少的比特数来保证视频的重建质量，其主要手段就是最大限度的减少甚至去除原始视频中的冗余信息。预测法是最实用也是相对简单的视频编码方法，H.264的帧内预测编码技术与早期的H.263标准和MPEG-2、MPEG-4标准相比做出了很大的改进，最大特点是引入了像素域帧内预测编码（Intra Prediction Coding）技术，使用已编码重建的相邻宏块的像素进行预测。

H.264的帧内预测编码技术与早期的视频编码标准相比做出了很大的改进，最大特点是引入了像素域帧内预测编码，采用率失真技术计算所有预测模式的编码代价，选取其中编码代价最小的模式最为最终预测模式。但是以全搜索算法确定预测模式的过程中计算量巨大，计算量大、运算复杂成为提高H.264编码效率急需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于如何提供一种基于宏块特征的帧内预测快速算法，在能保证视频质量的前提下尽可能提升编码效率，解决以全搜索算法确定预测模式的过程中计算量巨大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于宏块特征的帧内预测快速算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算亮度宏块的相邻平均差值和即SDAM值；

其中， $\mathrm{SDAM}=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}|P_{x,y}-\stackrel{\‾}{P_{x,y}}|,$ $\stackrel{\‾}{P_{x,y}}=\underset{i=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{x+i,y+j},$ P_x,y为相应坐标上的像素值，

为以(x,y)为中心的3×3块的平均像素值；

步骤二、设定一个最低阀值T_low和一个最高阀值T_high；

步骤三、将SDAM值与最低阀值T_low和最高阀值T_high比较，判定宏块类型并选择相应的帧内预测模式；帧内预测模式的表达式为：

其中当SDAM值小于T_low时，采用16×16亮度块预测模式；若SDAM值大于T_high采用4×4亮度块预测模式；若SDAM值在T_low和T_high之间，使用全搜索算法，即采用两种帧内预测模式进行编码；

步骤四、找出最佳帧内预测模式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提出了平均差值和SDAM的宏块特征值计算方法，通过设定一系列判定条件，对于能够判定宏块类型的待编码块只采用16×16或者4×4一种帧内预测方式，从而减少因计算编码代价而产生的运算量；对于宏块类型难以判断的情况则采用全搜索方式，从而保证编码的准确性。

二、本发明提供的算法在JM10.1模型中验证，实验结果表明此算法相比全搜索编码时间降低了22%～25%，对视频质量的影响可以忽略不计。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种基于宏块特征的帧内预测快速算法，包括如下步骤：步骤一、计算亮度宏块的相邻平均差值和即SDAM值；步骤二、设定一个最低阀值T_low和一个最高阀值T_high；步骤三、将SDAM值与最低阀值T_low和最高阀值T_high比较，判定宏块类型并选择相应的帧内预测模式；步骤四、找出最佳帧内预测模式。宏块中相邻像素间有非常强的信息相关性，图像复杂度的计算应当利用相邻像素间信息，本专利按照此思路提出了一种准确度更高的表征图像复杂度的特征值——相邻平均差值和（SDAM，Sum of Difference with Adjacent Mean）。如果SDAM的值越大，说明宏块内部变化越大，即图像复杂程度越高，反之，若其值越小，则说明宏块内部相邻间像素变化也越小，即宏块越平滑。其计算公式如下：

$\mathrm{SDAM}=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}|P_{x,y}-\stackrel{\‾}{P_{x,y}}|$

$\stackrel{\‾}{P_{x,y}}=\underset{i=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{x+i,y+j}$

其中P_x,y为相应坐标上的像素值，

为以(x,y)为中心的3×3块的平均像素值。本方法利用了当前像素与周围像素间的关系，所以能在一定程度上反应宏块内部像素间的变化。

计算出了待编码亮度宏块的特征值SDAM之后，可以根据特征值的大小按照一定规则判断宏块的类型，从而根据宏块类型选择相应的预测模式。最简单的方式通常可以通过一系列实验设定一个合适的阈值T，将SDAM与T相比较，根据比较结果判断出宏块的类型以及采用何种预测方式，其表达式如下：

上述判定方法比较简单，然而考虑到视频编码中图像内容的多样性，对宏块类型不能确定是否平滑的类型应使用两种帧内预测模式，即全搜索算法。因此，可以设定两个阈值T_low和T_high，当SDAM值小于T_low时，说明宏块的平滑程度较高，应该采用16×16亮度块预测模式；若SDAM值大于T_high则说明宏块内部变化较为明显，为非平滑区域，应该用4×4亮度块预测模式；若SDAM值在T_low和T_high之间，说明宏块类型难以判断，应使用全搜索算法，即采用两种帧内预测模式进行编码，其表达式如下所示：

在本发明中帧内预测模式的判断关键就是阈值T_low和T_high的确定，根据实验统计发现，根据不同量化参数QP，帧内预测的模式不同。随着QP值逐渐增大，采用16×16亮度宏块预测的次数就越来越多，4×4亮度块预测的次数就相应减少，由此可知阈值的确定跟量化参数QP相关。

对于每一个16×16的待编码的亮度宏块，帧内预测编码块16×16和4×4两种大小，其中前者进行帧内预测时的运算量相对较小，特别适用平坦或缓慢变化的图像区域，后者的预测方式比较精细，计算的复杂度较高，适合于待编码图像中含有大量细节的情况。然而在H.264标准的帧内预测中采用的是全搜索算法，即不考虑图像的复杂程度，通过对所有可能预测模式编码后选择代价最小的预测模式作为最终预测模式。由此可见，如果可以预先根据待编码块的复杂程度即图像是平滑还是复杂就可直接确定帧内预测的编码单位大小即16×16或4×4，然后再通过率失真技术计算编码代价，就可以避免大量不必要的运算量，从而较为快速的确定最终预测编码模式。

衡量H.264帧内编码的性能需要测量三个方面的数据，分别是峰值信噪比（PSNR，Peak Signal to Noise Ratio）、编码速率（BR，Bit Rate）和帧内编码时间，实验数据的计算方法如下：

峰值信噪比变化（ΔPSNR）按照如下公式计算：

$\mathrm{\ΔPSNR}={\stackrel{\‾}{\mathrm{PSNR}}}_{\mathrm{proposed}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{PSNR}}}_{\mathrm{JM}10.1}$

其中PSNR_proposed为本文算法压缩后图像的峰值信噪比，PSNR_JM10.1为标准算法压缩后图像的峰值信噪比。其中平均峰值

按照如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{PSNR}}=\frac{(\stackrel{\‾}{{\mathrm{PSNR}}_Y}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{PSNR}}_U}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{PSNR}}_V})}{3}$

编码比特率变化比（ΔBR）按照如下公式计算：

其中BR_proposed为本文算法压缩后图像比特数，BR_JM10.1为标准算法压缩后图像比特数。

编码时间变化比（ΔTIME）按照如下公式计算：

其中T_proposed为算法的编码时间，T_JM10.1为标准算法的编码时间。

实验结果如下：

表一为QCIF格式视频序列实验结果

表二为CIF格式视频序列实验结果

由表一和表二的实验数据可知，本专利提出的基于宏块特征的帧内预测快速算法与H.264标准全搜索算法相比，编码时间降低大约为22%～25%，编码比特率提高了约2%，在视频质量方面，峰值信噪比（PSNR）的损失基本保持在0.2dB以下，对视频质量的影响很小。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于宏块特征的帧内预测快速算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算亮度宏块的相邻平均差值和即SDAM值；

其中， $\mathrm{SDAM}=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}|P_{x,y}-\stackrel{\‾}{P_{x,y}}|,$ $\stackrel{\‾}{P_{x,y}}=\underset{i=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{x+i,x+j},$ P_x，y为相应坐标上的像素值，为以(x,y)为中心的3×3块的平均像素值；

步骤二、设定一个最低阀值T_low和一个最高阀值T_high；

步骤三、将SDAM值与最低阀值T_low和最高阀值T_high比较，判定宏块类型并选择相应的帧内预测模式；帧内预测模式的表达式为：

其中，当SDAM值小于T_low时，采用16×16亮度块预测模式；若SDAM值大于T_high采用4×4亮度块预测模式；若SDAM值在T_low和T_high之间，使用全搜索算法，即采用两种帧内预测模式进行编码；

步骤四、找出最佳帧内预测模式。