CN103703784B - 使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种使用ALF处理编解码视频的方法及其装置。根据本发明的实施例将具有约束数据范围的ALF应用于重建视频数据。ALF参数包含中心系数、一个或多个非中心系数以及偏移项。如一示例，从[0.0,2.0)与[0.5,1.5)中选择范围作为中心系数的约束数据范围。如另一示例，从[‑1.0,1.0)与[‑0.5,0.5)中选择范围作为上述一个或多个非中心系数的约束数据范围。也可将约束数据范围应用于偏移项。例如，可将[‑2D/N,(2D‑1)/N)应用于偏移项，其中D表示像素比特深度以及N是二次幂整数。可替换地，偏移项的约束数据范围可为[‑2M,2M)，其中M是整数。
Description
交叉引用
本发明要求如下优先权：编号为61/548,995，申请日为2011年10月19日，名称为“Constrained ALF Coefficients”的美国临时专利申请，编号为61/529,409，申请日为2011年8月31日，名称为“Filters Shapes For Adaptive Loop Filter”的美国临时专利申请。上述美国临时专利申请在此一并作为参考。
技术领域
本发明有关于视频编解码系统。特别地，本发明有关于使用具有约束数据范围(constrained data range)的自适应环路滤波(Adaptive Loop Filter,ALF)系数以减小ALF复杂度的方法及其装置。
背景技术
运动估计(motion estimation)是利用视频序列中时间冗余(temporalredundancy)的一种有效帧间编码技术。运动补偿帧间编码(motion compensated inter-frame coding)已经广泛应用于各种国际视频编码标准。在各种编码标准中采用的运动估计是通常以区块(block)为基础的技术，其中为每个宏块(macroblock)或相似区块配置确定例如编码模式与运动矢量的运动信息。此外，也可自适应地采用帧内编码(intra-coding)，其中在无需参考任何其他图像的情况下处理图像。在新兴的高效率视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)标准中，用于压缩的基础单元，称为编码单元(Coding Unit,CU)，是2N×2N的方形区块，并且每个CU可递归地分割成4个CU直到达到预定最小尺寸为止。通常可进一步由变换(transformation)、量化(quantization)以及熵编码(entropy coding)处理帧间预测与帧内预测残差(residue)以生成压缩视频比特流。在编码进程期间，尤其是在量化进程中引入了编码伪影(coding artifact)。为了减轻编码伪影，在较新的编码系统中可对重建视频采用附加处理以提高图像品质。经常在环内操作(in-loop operation)中配置上述附加处理从而使得编码器与解码器可得到相同的参考图像以取得改进的系统性能。
图1描述包含HEVC采用的环内处理的示例自适应帧间/帧内视频编码系统。对于帧间预测，可使用运动估计(Motion Estimation,ME)/运动补偿(Motion Compensation,MC)模块112基于其他图像的视频数据提供预测数据。开关114选择帧内预测模块110或帧间预测数据并且将选择的预测数据提供至加法器116以产生预测误差(prediction error)，也称为残差。然后变换(T)模块118处理预测误差，接着量化(Q)模块120处理预测误差。接着，熵编码器122编码已变换及已量化的残差从而形成对应压缩视频数据的视频比特流。然后，将边信息(side information)加入与变换系数相关联的比特流，其中上述边信息可为例如与图像区域相关联的运动、模式及其他信息。上述边信息也可进行熵编码处理以减小需求带宽。相应地，将与边信息相关的数据提供给熵编码器122。当使用帧间预测模式时，必须也在编码器端重建参考图像。因此，逆量化(Inverse Quantization,IQ)模块124与逆变换(Inverse Transformation,IT)模块126处理已变换及已量化残差以恢复残差。接着重建(REC)模块128将上述残差叠加至预测数据136以重建视频数据。可将上述重建视频数据储存至参考图像缓冲器134中并且将上述重建视频数据用于其他帧的预测。
如图1所示，接收的视频数据在编码系统中经过一系列处理。由于上述一系列处理，来自REC128的重建视频数据经受了各种损害。相应地，在重建视频数据储存入参考图像缓冲器134之前对上述重建视频数据采用各种环内处理从而改善视频品质。在当前发展的高效率视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)标准中，已经发展出了去块滤波(Deblocking Filter,DF)130、样本自适应偏移(Sample Adaptive Offset,SAO)131与自适应环路滤波(Adaptive Loop Filter,ALF)132以提高图像品质。环内滤波信息也必须并入比特流中从而使得解码器可正确恢复所需信息。因此，将来自SAO、ALF的环内滤波信息提供至熵编码器122用于并入视频比特流中。在图1中，首先对重建视频应用DF130；接着将SAO131应用于DF已处理视频；然后将ALF132应用于SAO已处理视频。然而，可重新调整DF、SAO、ALF的处理顺序。
在HM-4.0中，ALF具有两种滤波整形(filter shape)选择，即分别如图2A与图2B所示的十字形11×5以及雪花形5×5。可将两种ALF滤波整形应用于亮度与色度组分。在每幅图像中，亮度组分与色度组分可单独选择ALF滤波整形。ALF使用具有偏移项(offset term)的有限脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波。ALF的参数包含系数以及上述偏移项。上述偏移项或上述任一系数是上述参数的成员。ALF输出像素Y可表示为CTX+O，其中C是系数矢量(coefficient vector)，X是预先ALF(pre-ALF)像素的矢量，以及O是偏移项。根据所选滤波整形（或轨迹）确定像素X的位置。编码在比特流中包含偏移项的最优滤波系数可以藉由最小化ALF输出像素与原始像素之间的均方差推导得出。此外，可将区域化特征(localization)并入每幅图像中从而使得对不同区域可使用不同的系数与偏移。对于十字形11×5滤波，如图2A所示，C0,…,C7标识滤波系数，其中C7位于滤波中心。相应地，对于十字形11×5ALF滤波，将C7称为中心系数(center coefficient)并且将C0,…,C6称为非中心系数(non-center coefficient)。对于雪花形5×5滤波，如图2B所示，C0,…,C8标识滤波系数，其中C8位于滤波中心。相应地，对于雪花形5×5滤波，将C8称为中心系数并且将C0,…,C7称为非中心系数。
在基于软件或基于硬件的实施例中，因为上述系数是替代定值的适应值(adaptive value)，所以ALF需要通用的乘法器(multiplier)。如果系数值的范围无限大或非常大，则在硬件实施的情况下乘法器将非常昂贵。此外，具有较大动态范围的滤波系数对噪声来说更加敏感。因此，开发一种方法与装置以减少基于硬件实施成本是被需要的。
发明内容
本发明揭露一种使用ALF（自适应环路滤波）处理编解码视频的方法及其装置。ALF的参数包含ALF系数与偏移项，并且ALF系数包含中心参数与一个或多个非中心参数。根据本发明一实施例，上述方法包含接收与编解码视频数据相关的重建视频数据以及使用上述参数将ALF应用于重建视频数据，其中上述参数的至少一个成员具有约束数据范围。约束数据范围取决于ALF系数的位置。此外，可从[0.0,2.0)与[0.5,1.5)中选择范围作为中心系数的约束数据范围。可从[-1.0,1.0)与[-0.5,0.5)中选择范围作为上述一个或多个非中心系数的约束数据范围。偏移项的约束数据范围可为[-2D/N,(2D-1)/N)，其中D表示像素比特深度以及N是二次幂整数。可替换地，偏移项的约束数据范围可为[-2M,2M)，其中M是整数。
在用于视频编码器的本发明另一实施例中，上述方法包含：接收与编解码视频数据相关的重建视频数据；确定该ALF的该参数；将约束数据范围应用于该参数的一个或多个成员；以及使用约束参数将自适应环路滤波应用于该重建视频数据，其中该约束参数为在上述将该约束数据范围应用于该参数的一个或多个成员后得到的对应参数。约束数据范围取决于ALF系数的位置。也可应用上述的中心系数、非中心系数以及偏移项的约束数据范围。
本发明揭露一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其中该自适应环路滤波的参数包含至少两个自适应环路滤波系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置包含：用于接收与编解码视频数据相关的重建视频数据的装置；以及用于使用该参数将该自适应环路滤波应用于该重建视频数据的装置，其中该参数的至少一个成员具有约束数据范围。
本发明揭露另一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其中该装置包含在视频编码器中并且该自适应环路滤波的参数包含至少两个自适应环路滤波系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置包含：用于接收与编解码视频数据相关的重建视频数据的装置；用于确定该自适应环路滤波的该参数的装置；用于将约束数据范围应用于该参数的一个或多个成员的装置；以及用于使用约束参数将自适应环路滤波应用于该重建视频数据的装置，其中该约束参数为在上述将该约束数据范围应用于该参数的一个或多个成员后所得到的对应参数。
本发明的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法及其装置可减少硬件实施成本。
附图说明
图1描述包含DF、SAO、ALF环内处理的示例自适应帧间/帧内视频编码系统。
图2A描述对应十字形11×5滤波的ALF示例。
图2B描述对应雪花形5×5滤波的ALF示例。
图3根据本发明描述编解码系统并入具有约束数据范围的ALF的示例流程图。
图4根据本发明描述编码系统并入具有约束数据范围的ALF的示例流程图。
具体实施方式
为了减少基于硬件实施ALF相关的乘法器成本，本发明实施例限制ALF系数的数据范围。基于系数值的数据范围分析得出中心系数趋向于正值并且接近1.0，以及非中心系数趋向于接近0。相应地，在本发明一实施例中，中心系数限定在[0.0,2.0)并且非中心系数限定在[-1.0,1.0)，其中方括号指示终点数据包含在范围内以及圆括号指示终点数据不包含在范围内。在当前的HM-4.0中，使用八位二进制分数(eight fractional binary digits)表示系数。使用八位二进制分数进行数据表示，相应的中心系数与非中心系数的约束数据范围分别变为[0,1.99609375]与[-1,0.99609375]。对于使用其他二进制分数的数据表示，对应的中心系数与非中心系数的约束数据范围将相应地改变。本发明不局限于特定位数的二进制分数进行数据表示。
在上述提到的八位二进制分数与约束数据范围示例中，可用10个比特表示中心系数与非中心系数。因此，在HEVC的高效(High Efficiency,HE)通用测试条件下，其中像素数据用10个比特表示，两个乘法器输入是10个比特（用于系数）与10个比特（用于像素）。上述乘法器输出可表示为20个比特。在HEVC的低复杂度通用测试条件下，其中像素数据用8个比特表示，两个乘法器输入是10个比特（用于系数）与8个比特（用于像素）。上述乘法器输出可表示为18个比特。也可使用其他约束数据范围实现本发明。例如，可为中心系数与非中心系数分别使用[-1.0,1.0)与[-0.5,0.5)的约束数据范围。
虽然成本降低较小，但是本发明也可用于限制偏移项。一个示例是将偏移限定于[-(2D)/N,(2D-1)/N)的范围，其中D代表像素比特深度以及N可为二次幂整数(power-of-twointeger)，例如1、2、4、8、16等。另一示例是将偏移限定于[-2M,2M)的范围，其中M是一整数。如前述示例，可选择像素深度D作为整数M。
图3根据本发明描述编解码系统并入具有约束数据范围的ALF的示例流程图。如步骤310所示，接收与编解码视频数据相关的重建视频数据。如步骤320所示，将具有约束数据范围的ALF应用于重建视频数据，其中ALF参数的至少一个成员具有约束数据范围。可在编码系统或解码系统中实施图3中的示例流程图。在解码系统实施例中，解码器根据已接收比特流解码出相对应于一部分图像的ALF参数和重建视频数据并且根据上述ALF参数至少对上述的重建视频数据中的一部分图像进行滤波。图4详细描述编码系统实施例。
图4根据本发明描述编码系统并入具有约束数据范围的ALF的示例流程图。如步骤410所示，接收与编解码视频数据相关的重建视频数据。在步骤420中，确定ALF的参数，其中可从编码器获取、从存储器恢复或从其他处理模块接收上述参数。如步骤430所示，接着将约束数据范围应用于ALF参数的一个或多个成员。如步骤440所示，将具有约束数据范围的ALF应用于重建视频数据，即使用约束参数将ALF应用于重建视频数据，其中约束参数为在上述将约束数据范围应用于参数的一个或多个成员后所得到的对应参数。通过约束或限定ALF参数的至少一个成员，可限制在编码器与解码器中的ALF处理所需的乘法器数量。可依照ALF数据范围约束管理ALF处理所需的乘法器比特宽度。
上述描述能够使得本领域技术人员在特定应用与需求的背景下实施本发明。对上述实施例的各种调整对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明并不局限于上述特定实施例，其包含与上述揭露的本质原则以及新颖特征相一致的最大范围。在上述细节描述中，揭示了各种特定细节以充分说明本发明。本领域技术人员可以理解本发明是可实施的。
上述的根据本发明的实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明实施例可为集成入视频压缩芯片的电路或集成入视频压缩软件以执行上述过程的程序代码。本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)中执行的执行上述程序的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为了不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。
在不脱离本发明精神或本质特征的情况下，可以其他特定形式实施本发明。描述示例被认为说明的所有方面并且无限制。因此，本发明的范围由权利要求书指示，而非前面描述。所有在权利要求等同的方法与范围中的变化皆属于本发明的涵盖范围。
Claims (19)
1.一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其中该自适应环路滤波的参数包含中心系数与一个或多个非中心系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法包含：
接收与编解码视频数据相关的重建视频数据；以及
使用该参数将该自适应环路滤波应用于该重建视频数据，其中该中心系数与该一个或多个非中心系数具有约束数据范围，且该中心系数的第一约束数据范围不同于该一个或多个非中心系数的第二约束数据范围。
2.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该约束数据范围取决于该自适应环路滤波系数的位置。
3.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该中心系数的该第一约束数据范围是[0.0，2.0)。
4.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该一个或多个非中心系数的该第二约束数据范围是[-1.0，1.0)。
5.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该中心系数的该第一约束数据范围是[0.5，1.5)。
6.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该一个或多个非中心系数的该第二约束数据范围是[-0.5，0.5)。
7.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该自适应环路滤波的该参数进一步包含偏移项，并且该偏移项的该约束数据范围是[-2D/N，(2D-1)/N)，其中D表示像素比特深度以及N是二次幂整数。
8.如权利要求1所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该自适应环路滤波的该参数进一步包含偏移项，并且该偏移项的该约束数据范围是[-2M，2M)，其中M是整数。
9.一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其中该方法在视频编码器中使用并且该自适应环路滤波的参数包含中心系数与一个或多个非中心系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法包含：
接收与编解码视频数据相关的重建视频数据；
确定该自适应环路滤波的该参数；
将第一约束数据范围应用于该中心系数，且将第二约束数据范围应用于该一个或多个非中心系数，其中该第一约束数据范围不同于该第二约束数据范围；以及
使用约束参数将自适应环路滤波应用于该重建视频数据，其中该约束参数为在上述将该第一约束数据范围以及该第二约束数据范围应用于该参数后所得到的对应参数。
10.如权利要求9所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该约束数据范围取决于该自适应环路滤波系数的位置。
11.如权利要求9所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该中心系数的该第一约束数据范围从[0.0，2.0)与[0.5，1.5)中进行选择。
12.如权利要求9所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，用于该一个或多个非中心系数的该第二约束数据范围从[-1.0，1.0)与[-0.5，0.5)中进行选择。
13.如权利要求9所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该自适应环路滤波的该参数进一步包含偏移项，并且该偏移项的该约束数据范围是[-2D/N，(2D-1)/N)，其中D表示像素比特深度以及N是二次幂整数。
14.如权利要求9所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的方法，其特征在于，该自适应环路滤波的该参数进一步包含偏移项，并且该偏移项的该约束数据范围是[-2M，2M)，其中M是整数。
15.一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其中该自适应环路滤波的参数包含中心系数与一个或多个非中心系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置包含：
用于接收与编解码视频数据相关的重建视频数据的装置；以及
用于使用该参数将该自适应环路滤波应用于该重建视频数据的装置，其中该中心系数与该一个或多个非中心系数具有约束数据范围，且该中心系数的第一约束数据范围不同于该一个或多个非中心系数的第二约束数据范围。
16.如权利要求15所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其特征在于，该约束数据范围取决于该自适应环路滤波系数的位置。
17.如权利要求15所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其特征在于，用于该中心系数的该第一约束数据范围从[0.0，2.0)与[0.5，1.5)中进行选择。
18.如权利要求15所述的使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其特征在于用于该一个或多个非中心系数的该第二约束数据范围从[-1.0，1.0)与[-0.5，0.5)中进行选择。
19.一种使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置，其中该装置包含在视频编码器中并且该自适应环路滤波的参数包含中心系数与一个或多个非中心系数，该使用自适应环路滤波处理编解码视频的装置包含：
用于接收与编解码视频数据相关的重建视频数据的装置；
用于确定该自适应环路滤波的该参数的装置；
用于将第一约束数据范围应用于该中心系数，且将第二约束数据范围应用于该一个或多个非中心系数，其中该第一约束数据范围不同于该第二约束数据范围的装置；以及
用于使用约束参数将自适应环路滤波应用于该重建视频数据的装置，其中该约束参数为在上述将该第一约束数据范围以及该第二约束数据范围应用于该参数后所得到的对应参数。
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