CN105282558A - 帧内像素预测方法、编码方法、解码方法及其装置 - Google Patents

帧内像素预测方法、编码方法、解码方法及其装置 Download PDF

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Abstract

提供了帧内像素预测方法、编码方法、解码方法和帧内像素预测装置。帧内像素预测方法包括：定义当前待预测像素的目标模板；将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。本发明实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，能够准确地预测像素。根据本发明实施例的包括了像素重排列技术和帧内预测技术的像素编码方法和解码方法，使得以像素为单位进行帧内预测的方法能够与传统以块为单位的变换、量化、编码等技术结合使用，同时克服或减轻预测错误扩散的问题。

Description

帧内像素预测方法、编码方法、解码方法及其装置
技术领域
本发明总体地涉及视频编码和解码技术，尤其涉及一种帧内预测方法、视频编码方法和视频解码方法和装置。
背景技术
视频压缩技术广泛用于各种产品中，例如数字机顶盒(STB)、高清电视解码器、DVD播放器、数字摄像机、网络多媒体视频应用等等。存在压缩数字视频内容的各种视频编码方法。已经存在许多视频压缩标准来使得各种视频编码方法标准化。这些标准的例子包括MPEG-1、MPEG-2(ITU-TH.262)、MPEG-4、ITU-TH.261、ITU-TH.263、ITU-TH.264。
诸如MPEG标准之类的视频编码标准通常通过利用诸如时间和空间预测、变换和量化、熵编码之类的各种编码技术来实现数据压缩。视频编码器中的压缩通常包括帧间预测和帧内预测，以提高编码效率。帧间预测利用视频的图像之间的时间相关性，而帧内预测利用视频的图像内的像素的空间相关性。
帧间预测和帧内预测通常都是对像素块执行的。
对于帧内预测，通常是利用已经重建像素来外插待预测块，例如，对当前图像中任意一个待编码块，利用其周围已经重构的像素沿着某个方向进行插值，并将插值后的结果作为待编码块的预测块。待编码块与预测块之间的差作为预测残差，预测残差经过变换量化后进行编码。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种预测图像中的像素的帧内像素预测方法，可以包括：目标模板定义步骤，定义当前待预测像素的目标模板；匹配模板确定步骤，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及预测值确定步骤，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
在一个示例中，所述当前待预测像素的目标模板由该位于当前待预测像素的左侧和上侧的像素组成。
在一个示例中，该帧内像素预测方法还可以包括，将所述目标模板中尚未重构的像素设置为无效像素，以及所述匹配模板确定步骤包括：基于目标模板中的已重构像素和候选模板中的已重构像素，确定目标模板与候选模板之间的匹配度；以及选择匹配度最高的一个或多个作为所述至少一个匹配模板。
在一个示例中，所述基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值可以包括：根据当前待预测像素与其目标模板之间的相对位置关系，获得与匹配模板具有所述相对位置关系的参考像素；以及基于匹配模板和参考像素或者基于参考像素，确定当前待预测像素的预测值。
在一个示例中，该帧内像素预测方法还可以包括：将当前待预测像素的值与当前待预测像素的预测值之间的差作为预测残差；对预测残差进行编码，以供将该编码后的预测残差发送到解码器侧；以及在编码器侧对编码后的预测残差进行解码，并将解码后的残差与待预测像素的预测值相加，获得对应位置像素的重构值。
在一个示例中，该帧内像素预测方法还可以包括：将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构；对于当前待编码块：对于块中的每个像素，在重新排列前的帧中执行上述目标模板定义步骤、匹配模板确定步骤和预测值确定步骤，由此得到每个像素的预测值，从而得到当前待编码块的预测块；使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码。
根据本发明的另一方面，提供了一种对图像进行帧内编码的编码方法，可以包括：目标模板定义步骤，定义当前待预测像素的目标模板；匹配模板确定步骤，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及预测值确定步骤，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值；以及基于预测编码步骤，基于所述当前待预测像素的预测值对所述当前待预测像素或者该当前待预测像素所属于的块进行编码。
在一个示例中，该编码方法还可以包括：像素重组织分块步骤，将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构；对于当前待编码块：对于块中的每个像素，在重新排列前的帧中执行上述目标模板定义步骤、匹配模板确定步骤和预测值确定步骤，由此得到每个像素的预测值，从而得到当前待编码块的预测块；使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码。
在一个示例中，所述使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码可以包括获得残差块、量化残差块、对量化后的残差块进行熵编码。
在一个示例中，其中所述分块后得到的块中存在大小不同的块。
在一个示例中，像素重组织分块步骤可以使得尽可能多的分块后块的大小为具体编码标准中的块的大小。
在一个示例中，关于该编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，0≤p≤M-1，0≤q≤N-1，
其中i,j的计算公式分别如公式(1)、(2)所示：
i＝(pmodT)x(M/T)+rounddown(p/T)(1)
j＝(qmodT)x(N/T)+rounddown(q/T)(2)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
在一个示例中，关于该编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT-1，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT-1，重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式为：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(3)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(4)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(5)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(6)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(7)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时(8)。
在一个示例中，关于该编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)xT表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT，重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式为：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(9)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(10)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(11)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(12)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(13)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时，(14)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
根据本发明的另一方面，提供了一种对图像帧解码的解码方法，可以包括：接收图像块的编码表示，该图像块是被编码前的图像内的像素经重新排列和分块后形成的；得到该图像块的预测块，包括对于图像块中的每个像素通过如下步骤进行预测：确定该像素的目标模板；将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值；基于该图像块的预测块和该图像块的编码表示，得到该图像块的各个像素值。
在一个示例中，关于解码方法，确定该像素的目标模板可以包括：确定该像素在原始图像帧中的初始位置；以及基于该初始位置周围的经重构的像素，确定该像素的目标模板。
在一个示例中，关于解码方法，所述搜索区域为该帧的当前待预测像素的左上侧区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种预测图像中的像素的帧内像素预测装置，可以包括：目标模板定义部件，定义当前待预测像素的目标模板；匹配模板确定部件，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及预测值确定部件，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
在一个示例中，该帧内像素预测装置用于对屏幕内容编码。
根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有一组指令，该指令当被处理器执行时，引导处理器执行上述帧内像素预测方法、图像编码方法和图像解码方法中的任何一个。
本发明实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，这和传统的帧内像素预测技术非常不同，传统的帧内像素预测技术都是以像素块为单位来进行模板匹配。传统的帧内像素预测技术，像素块中的距离模板越远的像素，预测的准确性越低。相反，本发明上述实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，对所有像素都能够很好地预测。
另外，根据本发明实施例的包括了像素重排列技术和帧内预测技术的像素编码方法和解码方法，使得以像素为单位进行帧内预测的方法能够与传统以块为单位的变换、量化、编码技术结合使用，同时克服或减轻预测错误扩散的问题。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的示例性帧内像素预测方法100的流程图；
图2中的(a)、(b)、(c)示出了倒L形状的模板示例的示意图，其中画“X”的方框表示待预测的像素，其左侧和上方的各个以暗色填充的方框表示用于构成其模板的像素；
图3是示出根据本发明一个实施例的图像300中的帧内预测的示例性说明的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的图像编码器400的配置框图；
图5示出了根据本发明一个实施例的图像编码器500的示例性配置框图。
图6中的(a)和(b)示出了像素重排列前后的图像例子；
图7的(a)和(b)分别示出了像素重排列前后的图像例子；
图8中的(a)和(b)示出了像素重排列前后的图像例子；
图9示出了根据本发明一个实施例的示例性图像编码方法的流程图；以及
图10示出了根据本发明一个实施例的图像帧解码的示例性解码方法1000的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将按如下顺序进行说明：
一、帧内像素预测方法示例
二、图像编码器的第一实施例
三、图像编码器的第二实施例
四、像素重排列方法示例
五、图像编码方法实施例
六、图像解码方法实施例
一、帧内像素预测方法示例
图1示出了根据本发明一个实施例的示例性帧内像素预测方法100的流程图。
在步骤S110中，定义当前待预测像素的目标模板。
在一个示例中，可以由该像素的周围预定范围内的已重构像素来构成该像素的目标模板。可以根据需要和/或图形的特性构建不同模式的模板。
例如，假设像素编码的扫描方向是从左到右，从上到下，即当对一个像素编码时，其左侧和上方的像素可以是已经重构了的，因此可以构建倒“L”形模板。图2中的(a)、(b)、(c)示出了倒L形状的模板示例的示意图，其中画“X”的方框表示待预测的像素，其左侧和上方的各个以暗色填充的方框表示用于构成其模板的像素。
在一个示例中，一个像素相关联的模板的形状和大小可以根据图像的性质来确定。例如，如果图像中的内容大部分是文字，则模板的大小可以为文字的平均大小。
如果图像中像素编码的扫描方向是从右到左，从下到上，则一个像素的模板可以由其右侧和下方的像素组成。
另外，一个像素的模板也不限于是倒“L”形状，可以根据需要和图像性质来设计模板的样式。
需要说明的是，如果一个像素的相关联模板中存在尚未重构的像素，则可以将该尚未重构的像素标记为无效点，对于无效点，后续可以将其像素值例如视为0。
需要说明的是，前面像素的模板是以一般形式来说明的。对于处于图像边缘的像素，例如处于图像的顶部行或者左侧列的像素，不存在倒“L”形状的模板，对于这样的像素，例如可以跳过目标模板定义步骤S110和下面的匹配模板确定步骤S120、预测值确定步骤S130，直接设定其预测值为一个固定值，例如128。
在步骤S120中，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板。
在一个示例中，搜索区域可以是之前已编码或重构区域的全部，在另一个示例中，搜索区域可以是之前已编码或重构区域中的一部分，例如已重构区域中邻近待预测像素的部分。
在一个示例中，可以计算目标模板与候选模板之间的各个对应像素之间的绝对差值和(SAD)作为两者之间的差异度量，并将与目标模板差异最小的候选模板作为匹配模板。在某些示例中，可以将均方根误差(MSE)作为差异度量。在另一个示例中，还可以对差异度量进行规范化，例如将绝对差值和除以模板中的像素个数。另外，在计算目标模板与候选模板之间的差异过程中，对于无效像素，例如前述尚未重构的像素，可以跳过对其的处理，即在计算差异过程中不考虑该无效像素的贡献。
在一个示例中，可以选择不止一个匹配模板，例如可以将与目标模板差异最小的3个候选模板作为匹配模板。
在步骤S130中，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
例如，在一个示例中，根据当前待预测像素与其目标模板之间的相对位置关系，获得与匹配模板具有所述相对位置关系的参考像素。例如，在只有一个匹配模板的情况下，可以将该参考像素的值作为当前待预测像素的预测值。再例如，在选择多个匹配模板的情况下，可以得到各个对应的参考像素，并例如求得该多个参考像素的平均值来作为当前待预测像素的预测值，另外，可以对各个参考像素赋予不同权重，例如与目标模板匹配度最高的匹配模板的相关联参考像素可以被赋予最高的权重，从而在计算待预测像素的预测值中贡献最大。
上面的示例中仅仅基于参考像素来确定待预测像素的预测值，在某些其他示例中，可以基于匹配模板和参考像素两者来计算待预测像素的预测值。例如，可以计算构成匹配模板的所有像素和参考像素的平均值来作为待预测像素的预测值，类似地在计算平均值过程中，不同像素可以被赋予不同的权重，例如可以根据距参考像素的距离来赋予权重，距参考像素越近，权重越高，反之距参考像素越远，权重越低。
本发明实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，这和传统的帧内像素预测技术非常不同，传统的帧内像素预测技术都是以像素块为单位来进行模板匹配。传统的帧内像素预测技术，像素块中的距离模板越远的像素，预测的准确性越低。相反，本发明上述实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，对所有像素都能够很好地预测。
本发明实施例的帧内像素预测方法特别适用于屏幕内容(ScreenContent)图像。屏幕内容图像指的是在台式机、平板电脑、移动电话等的显示器上显示的屏幕照片。屏幕内容图像与自然照相机拍摄的图像相比有一些特点：首先，屏幕内容图像在一张图片中包含很多相似点，这是因为屏幕内容是由处理装置通过应用程序导出的，通常用于描述文本或图形元素而且具有较少的色彩；第二，屏幕内容图像没有噪声；第三屏幕内容图像通常包含很多尖锐的边缘，尤其是在屏幕内容存在大量文本的情况下；第四，屏幕内容图像通常尺寸较大；第五，在很多区域(例如非文字区域)内容非常平滑。
传统的基于像素块的帧内像素预测方法一般是针对摄像机拍摄的图像的，并不适合屏幕内容图像，而且像素块中的距离模板越远的像素，预测的准确性越低。相反，本发明上述实施例的帧内像素预测方法以像素点为单位进行模板匹配，能够更好地预测像素。
图3是示出根据本发明一个实施例的图像300中的帧内预测的示例性说明的示意图。图像300可以是正被编码器(例如后面的图4所示的编码器400)编码的具体图片。图像300包括之前已被编码和重构的部分301和待编码的部分302。像素304(以点式阴影示出)是正被预测的当前像素。搜索区域303是已重构区域301的一部分，在待预测像素301的附近，但不包括右下方尚未编码的像素。待预测像素304的模板(称为目标模板)305在像素304的左上方，在此示例中，模板305包括7个之前已重构的像素，即处于左侧的2个像素，位于上方的5个像素。对像素304的帧内预测通过对模板305来在搜索区域303中寻找匹配模板来进行。图中搜索区域303中的候选模板307具有与目标模板相同的样式，候选模板307具有对应的参考像素306。如果在搜索区域303中寻找到候选模板307是目标模板的匹配模板，则在一个例子中，可以将参考像素306作为待预测像素304的预测值，在另一个示例中，可以通过对匹配模板307和参考像素306进行某种插值运算，将插值结果作为待预测像素304的预测值。
二、图像编码器的第一实施例
图4示出了根据本发明一个实施例的图像编码器400的配置框图。
如图4所示，图像编码器400包括帧内预测模块420、重构图像缓冲器440、熵编码模块450、减法器410、加法器430。本领域技术人员应该清楚，图4所示的结构并非排他式的，相反编码器还可以包括额外的其他部分，例如帧缓冲器等。
输入的每个图像按照像素为单位被进行处理。图像数据被耦接到帧内预测模块420。
帧内预测模块利用例如结合图1描述的帧内像素预测方法来生成待编码像素的预测。经由减法器410从来自路径401的当前待编码像素中减去来自帧内预测模块420的路径402上的预测，而形成了路径403上的残差信号。路径403上的残差信号被传递给熵编码模块450以用于进行编码，例如执行LZMA编码。需要说明的是残差信号在路径403上可以可选地进行变换和量化(图4中未示出)。
路径403上的残差信号还经由路径404被传递给加法器430，以得到像素的重构。与在403上进行的处理相对应，可以在路径404上进行相反的处理，例如如果在403上进行了变换和量化，则应该在路径404上进行逆变换和逆量化。在不存在变换、量化处理的情况下的编码称为无损编码。
加法器430将来自帧内预测模块420的预测值和来自路径404的残差信号相加，得到了重构的像素，存储于重构图像缓冲器450中。
重构图像缓冲器450耦接到帧内预测模块420，以供帧内预测模块420使用之前重构的像素区域来构建当前正被编码的像素的预测。
三、图像编码器的第二实施例
传统的编码方法都是以块为单位进行预测的，这样的传统块预测的一个原因在于：传统的编码技术都是块编码模式，例如变换和量化都是以块为单位进行的；如果传统的编码技术直接以像素点作为预测单位(模板匹配单位)，将存在误差扩散的问题，，假设块的左上角点是(0,0)的话，(1,1)、(2,2)或离左侧及上方越远的点就必须要用(0,0)这样的先预测出来的点来模板匹配，而每个点的预测是会有一定几率预测错误的，这样错误就会逐渐扩散，所以传统的方法不能以点为单位进行预测，都是以块的方式来预测。
为了将本发明实施例的以像素为单位进行预测的方法能够与传统以块为单位的变换、量化、编码技术结合使用，同时克服预测错误扩散的问题，本发明下面的实施例设计了对原始图像进行像素重排列(或重组织)，并对重排列的图像进行分块和对块中的像素在原始图像中进行以像素为单位进行模板匹配和预测、以块为单位变换、量化、编码的技术。
图5示出了根据本发明一个实施例的图像编码器500的示例性配置框图。
如图5所示，图像编码器500可以包括像素重排列模块550、预测器520、减法器510、变换模块和/或量化模块513、熵编码530、逆变换/逆量化560、加法器570、去块模块580、样本自适应偏移(SampleAdaptiveOffset,SAO)模块590、重构图像缓冲器540、像素重排列模块550。
输入视频数据经由路径501被耦合到像素重排列模块550，在像素重排列模块550被重新排列(重新组织)并分成块，分块后的视频数据耦合到预测器520。在一个示例中，像素重排列模块550将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构。在一个示例中，像素重排列模块550分块后得到的块中存在大小不同的块，优选地，像素重排列模块使得尽可能多的分块后块的大小为具体编码标准中的块的大小。下文中将结合示例详细描述像素重排列模块50的功能和操作。预测器520可以包括帧间预测模块521和帧内预测模块522。帧间预测模块521可以进行运动估计(ME)操作和运动补偿(MC)操作。帧内预测模块522对于当前待编码的经重排列的块中的每个像素执行例如结合图1、2、3描述的以像素为单位的目标模板定义、模板匹配和预测值确定操作。预测器520使用重构图像缓冲器540中存储的之前解码的图片来构建正被编码的当前图片的估计。
一般地，在进行预测之前，会选择编码方式。存在多种不同的编码方式，这些编码方式被分组为两个大类，帧间编码和帧内编码。在本发明实施例中，帧内编码涉及使用帧内预测对经重排列后的图片中的块、宏块进行编码，其中在进行帧内预测时是在重排列前的图片中以像素为单位进行模板匹配的，这样的对块中每个像素的预测组成了块的预测。需要说明的是，如前所述，传统的帧内预测技术一般是以块为单元进行模板定义、模板匹配的。
在由预测器520得到重排列后块的预测之后，经由减法器510从重排列后块中减去路径502上的预测来形成残差信号，该残差信号被传递给变换/量化模块513以用于编码。
变换/量化模块513随后应用变换和/或量化操作，变换操作例如为例如基于离散余弦变换(DCT)的变换，量化操作对变换后的系数进行量化。
所产生的经量化的变换后的系数在逆量化/逆变换模块560中被进行了逆量化和逆变换操作得到了解码后的残差，解码后的残差在加法器570中与来自预测器520的预测相加，由此得到了重构后的图像数据，在本实施例中，重构后的块还在去块滤波器580中进行最小化块效应的处理，去块处理后的重构图像经由样本自适应偏移模块590中的样本自适应偏移后被存储在重构图像缓冲器540中，以供预测器520进行帧间预测和/或帧内预测。
来自变换/量化模块513的经量化的变换后的系数还被传递到熵编码器530。熵编码器180可以执行例如非零残差自适应编码、上下文自适应变长编码(CAVLC)或上下文自适应二进制算术编码(CABAC)等编码算法。编码后的数据流例如在经过速率控制和缓冲后被传输到解码器侧。
四、像素重排列方法示例
如前所述，像素重排列模块550可以将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构。通过使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，能够避免像素预测过程中的误差扩散。通过使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构，能够提高像素预测的准确率。
在一个示例中，像素重排列模块550分块后得到的块中存在大小不同的块，优选地，像素重排列模块使得尽可能多的分块后块的大小为具体编码标准中的块的大小。
下面详细描述像素重排列模块550执行的示例性像素重排列方法。
在一个示例中，根据图像的大小是否是编码块的整数倍，来采取不同的像素重排列算法。
1、图像的大小是编码块的整数倍的情况
设图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
设重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，其中0≤p≤M-1，0≤q≤N-1，
在一个示例中，i,j的计算公式分别如公式(1)、(2)所示：
i＝(pmodT)x(M/T)+rounddown(p/T)(1)
j＝(qmodT)x(N/T)+rounddown(q/T)(2)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
比如，以M＝12，N＝16，T＝4的图像为例，图6中的(a)和(b)示出了像素重排列前后的图像例子。其中，图6中的(a)是原图像，每个小方块表示一个像素点，我们将不同像素点标以不同的灰度和以小写字母表示的标号，图6中的(b)是图像重组织后的新图像，具有相同灰度和标号的像素点经过重新组织后将构成12个4x4的图像块。
2、图像的大小不是编码块的整数倍的情况
设图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
设重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，
重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT-1，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT-1，
重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式如下面的(3)-(8)所示：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(3)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(4)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(5)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(6)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(7)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时(8)。
比如，以M＝18，N＝13，T＝4的图像为例，图7的(a)和(b)分别示出了像素重排列前后的图像例子。其中，图7(a)是原图像，每个小方块表示一个像素点，我们将不同像素点标以不同的灰度和以小写字母表示的标号，图7(b)是图像重组织后的新图像，具有相同灰度和标号的像素点经过重新组织后将构成20个4x4的图像块，其中空白的像素点表示无效像素点。在一个示例中，编码算法一般将这些处于无效像素点位置的残差视为0进行编码。
下面举例说明在图像的大小不是编码的块的大小整数倍情况下的另一示例性像素重排列方法。设图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
设重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，
重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)xT表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT，
重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式如(9)-(14)所示：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(9)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(10)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(11)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(12)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(13)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时，(14)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
比如，以M＝18，N＝13，T＝4的图像为例，图8中的(a)和(b)示出了像素重排列前后的图像。其中图8(a)是原图像，每个小方块表示一个像素点，我们将不同像素点标以不同的灰度和以小写字母表示的标号，图8(b)是图像重组织后的新图像，具有相同灰度和标号的像素点经过重新组织后将构成20个4x4的图像块，其中空白的像素点表示无效像素点。在一个示例中，编码算法将这些处于无效像素点位置的残差视为0进行编码。
对于图像的大小不是T的整数倍的情况，上述图7(a)和(b)和图8(a)和(b)所示的像素重排列方法仅为示例，还可以有其它符合下述特点的像素点重组织方案，其总的原则是使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构，而且优选地重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)。
五、图像编码方法实施例
图9示出了根据本发明一个实施例的示例性图像编码方法的流程图。
如图9所示，在步骤S910中，定义当前待预测像素的目标模板，然后前进到步骤S920。
在步骤S920中，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板，然后前进到步骤S930。
在步骤S930中，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值，然后前进到步骤S940。
在步骤S940中，基于所述当前待预测像素的预测值对所述当前待预测像素或者该当前待预测像素所属于的块进行编码。
有关步骤S910、S920和S930的具体操作可以参考结合图1描述的步骤S110、S120、S130。
有关步骤S940的编码操作可以参考结合图4描述的图像编码器和结合图5描述的编码器的功能和操作。
在一个示例中，该编码方法还可以包括：像素重组织分块步骤，将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构；对于当前待编码块，对于块中的每个像素，在重新排列前的帧中执行上述目标模板定义步骤、匹配模板确定步骤和预测值确定步骤，由此得到每个像素的预测值，从而得到当前待编码块的预测块；以及使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码。
六、图像解码方法实施例
图10示出了根据本发明一个实施例的图像帧解码的示例性解码方法1000的流程图。
解码方法可以视为编码方法的逆操作。
如图10所示，在步骤S1010中，接收图像块的编码表示，该图像块是被编码前的图像内的像素经重新排列和分块后形成的，然后前进到步骤S1020。
在步骤S1020中，得到该图像块的预测块，然后前进到步骤S1030。步骤S1020包括对于图像块中的每个像素通过如下步骤进行预测：在步骤S1021中，确定该像素的目标模板，然后前进到步骤S1022。在步骤S1022中，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板。在步骤S1023中，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
在步骤S1030中，基于该图像块的预测块和该图像块的编码表示，得到该图像块的各个像素值。如前所述，该编码表示为重新排列后的块的残差，将预测块和块的残差，得到了解码的像素值。
步骤S1022的确定该像素的目标模板可以包括：确定该像素在原始图像帧中的初始位置；以及基于该初始位置周围的经重构的像素，确定该像素的目标模板。
所述搜索区域可以为该帧的当前待预测像素的左上侧区域。
需要说明的是，上述第一实施例(结合图4描述)的图像编码器和第二实施例(结合图5描述)例示的图像编码器的各个部件可以用软件程序来实现，例如通过通用计算机中的CPU结合RAM和ROM等以及其中运行的软件代码来实现。软件程序可以存储在诸如闪存、软盘、硬盘、光盘等存储介质上，在运行时加载到诸如随机访问存储器RAM上来由CPU执行。另外，除了通用计算机上，还可以通过专用集成电路和软件之间的合作来实现。所述集成电路包括通过例如MPU(微处理单元)、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)等中的至少一个来实现。另外，图像编码器的各个部件可以用专门的硬件来实现，例如特定的现场可编程门阵列、专用集成电路等。另外，图像编码器的各个部件也可以利用软件和硬件的结合来实现。
上述图像编码器中的各个单元的结构和数量不对本发明的范围构成限制。根据本发明的一个实施例，各个部件可以合并为一个独立的部件来执行和实现相应的功能和操作，或者各个部件进一步拆分为更小的单元来实现他们各自的功能和操作。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种预测图像中的像素的帧内像素预测方法，包括：
目标模板定义步骤，定义当前待预测像素的目标模板；
匹配模板确定步骤，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及
预测值确定步骤，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
2.根据权利要求1的帧内像素预测方法，还包括：
将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构；
对于当前待编码块：
对于块中的每个像素，在重新排列前的帧中执行上述目标模板定义步骤、匹配模板确定步骤和预测值确定步骤，由此得到每个像素的预测值，从而得到当前待编码块的预测块；
使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码。
3.一种对图像进行帧内编码的编码方法，包括：
目标模板定义步骤，定义当前待预测像素的目标模板；
匹配模板确定步骤，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及
预测值确定步骤，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值；以及
基于预测编码步骤，基于所述当前待预测像素的预测值对所述当前待预测像素或者该当前待预测像素所属于的块进行编码。
4.根据权利要求3的编码方法，还包括：
像素重组织分块步骤，将像素重新排列并分块，得到各个作为编码目标的块，使得分块后的块中的多个像素尽可能不同时出现在重新排列前的帧中的原始块中，且使得块中的像素在被预测时，其在重新排列前的帧中的目标模板中的像素尽可能地已重构；
对于当前待编码块：
对于块中的每个像素，在重新排列前的帧中执行上述目标模板定义步骤、匹配模板确定步骤和预测值确定步骤，由此得到每个像素的预测值，从而得到当前待编码块的预测块；
使用当前待编码块的预测块对当前待编码块进行编码。
5.根据权利要求4的编码方法，其中像素重组织分块步骤使得尽可能多的分块后块的大小为具体编码标准中的块的大小。
6.根据权利要求4的编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，0≤p≤M-1，0≤q≤N-1，
其中i,j的计算公式分别如公式(1)、(2)所示：
i＝(pmodT)x(M/T)+rounddown(p/T)(1)
j＝(qmodT)x(N/T)+rounddown(q/T)(2)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
7.根据权利要求4的编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，
重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT-1，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT-1，
重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式为：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(3)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(4)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(5)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(6)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(7)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时(8)。
8.根据权利要求4的编码方法，图像的大小为MxN，编码的块的大小为TxT，M和N的值不是T的整数倍，其中M表示图像的行数，N表示图像的列数，以图像最上方的像素行称为第0行，图像最左侧的像素列称为第0列，Pi,j表示图像中位置在第i行，第j列的像素点，0≤i≤M-1，0≤i≤N-1，M、N和T均为大于1的正整数，
重组后的第p行，第q列的像素点Rp,q对应于重组前的像素点Pi,j，
重组后的图像大小为((rounddown(M/T)+1)xT)x((rounddown(N/T)+1)xT)，(rounddown(M/T)+1)xT表示重组后的图像的行数，(rounddown(N/T)+1)xT表示重组后的图像的列数，0≤p≤(rounddown(M/T)+1)xT，0≤q≤(rounddown(N/T)+1)xT，
重组后的图像中像素点Rp,q对应于重组前的图像中的像素点Pi,j，其中i,j的计算公式为：
i＝(pmodT)x(rounddown(M/T)+1)+rounddown(p/T)当(pmodT)<(MmodT)时，(9)
i＝(MmodT)x(rounddown(M/T)+1)+((pmodT)-(MmodT))xrounddown(M/T)+rounddown(p/T)当(pmodT)>＝(MmodT)且p<M时，(10)
i无有效值，此时Rp,q＝0当p>＝M时，(11)
其中j的计算公式为：
j＝(qmodT)x(rounddown(N/T)+1)+rounddown(q/T)当(qmodT)<(NmodT)时，(12)
j＝(NmodT)x(rounddown(N/T)+1)+((qmodT)-(NmodT))xrounddown(N/T)+rounddown(q/T)当(qmodT)>＝(NmodT)且q<N时，(13)
j无有效值，此时Rp,q＝0当q>＝N时，(14)
其中mod表示取模运算，x表示乘法运算，rounddown()表示向下取整运算。
9.一种对图像帧解码的解码方法，包括：
接收图像块的编码表示，该图像块是被编码前的图像内的像素经重新排列和分块后形成的；
得到该图像块的预测块，包括对于图像块中的每个像素通过如下步骤进行预测：
确定该像素的目标模板；
将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；
基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值；
基于该图像块的预测块和该图像块的编码表示，得到该图像块的各个像素值。
10.一种预测图像中的像素的帧内像素预测装置，包括：
目标模板定义部件，定义当前待预测像素的目标模板；
匹配模板确定部件，将所述目标模板与该帧的搜索区域的候选模板相比较，以及确定所述候选模板中至少一个与所述目标模板匹配的匹配模板；以及
预测值确定部件，基于所述至少一个匹配模板来确定当前待预测像素的预测值。
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