CN105306956B - 一种提高hevc编码器离散余弦变换处理速度的方法 - Google Patents
一种提高hevc编码器离散余弦变换处理速度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高HEVC编码器离散余弦变换处理速度的方法，包括：(1)在变换之前，计算块内残差绝对值之和，与L个依次递增的阈值作比较，判定变换块内的全零系数列，以及变换块是否为全零变换块；(2)变换块经过第一级一维离散余弦变换后，以变换结果的转置矩阵为输入，逐列地判定是否是全零系数列；(3)以第一级一维离散余弦变换所得的结果矩阵为输入，逐列地以第二级一维离散余弦变换的形式计算变换系数，在此过程中根据帕塞瓦尔能量保持定理检测全零系数列。被检测为全零变换块的，可忽略后续的变换和量化步骤；被检测为全零系数列的，可忽略该列后续的第二级一维离散余弦变换过程，从而提高编码效率。
Description
技术领域
本发明涉及视频图像压缩编码领域，具体涉及一种提高HEVC编码器离散余弦变换处理速度的方法。
背景技术
作为新一代视频编码标准，高效率视频编码(High Efficiency Video Coding，HEVC) 沿用了H.264等前一代编码标准所使用的基于块的混合编码框架，利用帧内和帧间预测去除空间和时间冗余，利用离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)和熵编码去除统计冗余。
HEVC以变换单元(Transform Unit，TU)为单位进行离散余弦变换和量化，每个TU包含亮度和色度分量的变换块(Transform Block，TB)，变换块的数据为经过预测补偿后的残差数据。
设X是一个大小为N×N(N＝4，8，16，或32)的变换块，二维DCT变换可写成如下的矩阵相乘的形式：
F＝AXAT
其中A是一个N×N的变换矩阵，其元素按下式确定：
其中，若i＝0，则Ci＝1；否则，
在HEVC中，二维DCT变换由两个顺序执行的一维变换实现，首先对残差矩阵执行如下的第一级一维离散余弦变换，即一维行变换，得到中间结果矩阵Y：
Y＝AXT
然后对Y矩阵执行如下的第二级一维离散余弦变换，即一维列变换，得到与变换块对应的二维离散余弦变换系数矩阵F：
F＝AYT
由于采用了帧间或帧内预测、离散余弦变换、量化等压缩编码工具，所以在HEVC中通常存在大量的变换块，经变换量化后的系数全部为零或者只有在部分位置存在非零元素。如果在进行DCT变换之前能检测那些经变换量化后为全零的变换块，则后续的DCT变换和量化步骤都可以省略；如果在第二个一维DCT变换之前能检测经变换量化后的系数矩阵为全零的列，则后续的一维DCT变换过程可忽略这些列，这两种情况都能有效地提高编码器进行离散余弦变换的处理速度。
本发明针对上述HEVC以行列分离的方式实现二维DCT计算的结构，提供一种提高HEVC编码器二维离散余弦变换处理速度的方法，这种方法在DCT变换之前针对变换块的残差数据，一维行变换之后针对行变换的中间结果矩阵检测全零变换块和全零系数列，以减少编码器花费在DCT变换和量化计算的时间代价，从而提升HEVC的编码效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高HEVC编码器离散余弦变换处理速度的方法，通过提前检测经离散余弦变换和量化后为全零或者部分为零的变换块，对被检测为全零块的变换块忽略后续的一维行变换和一维列变换，对被检测为全零系数列的列，忽略后续的一维列变换，从而达到提高编码效率的目的，包括：
为包含N列的变换块预设L(L≤N)个依次递增的阈值，在第一级一维离散余弦变换之前，计算块内残差绝对值之和，并且逐个与L个阈值作比较，当某个阈值大于残差绝对值之和，则提前判定该阈值对应的列以及其后的列经变换量化后为全零系数列；特别地，当对应第0列的阈值大于残差绝对值之和，则提前判定变换块为全零变换块；
变换块经过第一级一维离散变换后得到中间结果矩阵Y，以Y的转置矩阵为输入，逐列地计算列向量的所有元素之和，求取二维离散余弦变换系数矩阵的列向量中第0个(即下标为0)元素值；计算列向量所有元素的绝对值之和，求取二维离散余弦变换系数矩阵的列向量中除第0个元素之外的其它元素的上界值；根据第0个元素的绝对值和其它元素的上界值是否都小于由量化参数确定的阈值提前判断二维DCT系数矩阵中的各列是否是全零系数列。
对中间结果矩阵YT，以第二级一维离散余弦变换的形式逐列地计算二维DCT变换系数，且累计各个系数的平方和。若上述一维列变换进行到某一列时，变换块变换前的各个残差值的平方和与上述累计所得的各个系数的平方和之间的差值小于由量化参数确定的阈值，则提前判定二维DCT系数矩阵中列坐标大于当前列的所有列为全零系数列。
本发明针对HEVC编码器对16×16、32×32等较大的编码块进行二维离散余弦变换时需要较大计算代价的问题，提供一种提高HEVC编码器离散余弦变换处理速度的方法。
本发明的有益效果在于：通过提前检测经离散余弦变换和量化后为全零或者部分为零的变换块，以减少编码器花费在对变换块进行二维离散余弦变换所需的处理时间，由此可以在几乎不影响视频质量的前提下极大地提高编码效率。
附图说明
图1为本发明提高HEVC编码器二维离散余弦变换处理速度的具体实施方式框图。
具体实施方式
本发明实施例针对HEVC编码器以行变换和列变换分离的方式实现二维离散余弦变 换，提供一种通过提前检测全零变换块和部分为零的变换块，以减少二维离散余弦变换和量 化的计算代价，提高编码器二维离散余弦变换处理速度的方法。本发明实施例提供的方法包 括：
步骤101以变换块的残差绝对值之和为衡量依据，以多阈值的方法确定经变换量化后 的系数矩阵中的全零系数列。设变换块X的大小为N×N，按如下公式计算块内数据的绝对 值之和：
预设L(L≤N)个依次递增的阈值系数项TH(0)，TH(1)，...，TH(L-1)，设当前量化参数对应 的量化步长为qStep，按如下方式判断变换块经变换量化后的DCT系数矩阵中的零元素分布， 包括两种情况：
(1)若SAD＜TH(0).qStep，则提前判定变换块为全零系数块，其中TH(0)是对应二维DCT 系数矩阵列下标为0的列的阈值系数项；
(2)对于0＜i≤L-1，若TH(i-1)·qStep≤SAD＜TH(i)·qStep，则判定变换块的DCT系数 矩阵中与TH(i)对应的列以及之后的列为全零系数列。
具体实现时，本发明实施例可以采用基于系数分布的方式确定阈值系数项。具体地， 经帧间预测和运动补偿，变换块内的残差数据可视作独立同分布的随机变量。由中心极限定 理，所有变换块作二维DCT变换后具有相同频率坐标的变换系数，近似地具有正态分布。并 且，由于离散余弦变换是一种正交变换，所以频率坐标(u，v)的变换系数的分布参数为：均值 为零，方差等于变换块变换之前数据的方差σ2乘以一个系数，具体地，
其中，上标T代表矩阵转置，[ARAT]u，u和[ARAT]v，v分别代表A，R和AT三个矩阵乘积的结果 矩阵在(u，u)和(v，v)位置的元素值。A是N×N的离散余弦变换核矩阵，其元素按下式确定：
若i＝0，则Ci＝1；否则，公式(2)中的R是如下形式的矩阵
其中，元素r(m，n)＝q|m-n]，q是变换块水平或垂直方向相隔一个像素的那些数据所具有的相 关系数，对于一般的图像，该值介于0.4到0.75之间，本发明的一个实施例取中间值0.6。
当q值确定以后，将R矩阵和A矩阵的值代入(2)式可计算DCT变换后各个变换系数的方差与σ2之间的关系。
将频率坐标为(u，v)的DCT系数视作随机变量，由于它们符合均值为0，方差为的正态分布，由正态分布的性质，当c是一个正实数，随着c增大，该频率位置的DCT系数落在[-cσF(u，v)，cσF(u，v)]的概率随之增大。如当c＝2.5，上述概率约为94％，当 c＝3.0，上述概率增大到99％。
量化的本质是DCT系数除以由量化参数QP确定的量化步长qStep。取上述DCT变换系数分布范围内绝对值的最大值cσF(u，v)，对c≥3.0，若下式成立，频率坐标为(u，v)的DCT系数具有很大的概率经量化后为0。
cσF(u，v)＜qStep (4)
本发明的一个实施例假设经预测和补偿后的变换块内残差数据具有均值为零，标准差为σ的Laplacian分布，块内残差绝对值的均值期望值为所以可由块内残差数据的绝对值之和按下式估计标准差σ
由公式(2)、(4)和(5)可得，当下式成立，频率坐标为(u，v)的DCT系数将被量化为0：
其中，z(u，v)＝[ARAT]u，u[ARAT]v，v，当设定c为常数，对大小为N×N的变换块，是一个常数。
注意到上述参数z(u，v)对不同的v值，当u＝0时取最大值，而且z(0，v) (v＝0，1，…，N-1)随着列下标的递增而递减。由此，可为N×N的变换块预设L个依次递增的阈值系数项，其中对应第x列的阈值系数项为：
当SAD＜TH(x)·qStep，则变换块经二维DCT变换和量化后的系数矩阵中第x列及下标大于 x的列为全零系数列。本发明的一个实施例取c＝3.0，q＝0.6，为N＝8、16、32的变换块分别预设了6、10、16个阈值系数项，并且TH(0)被设置成对应第0列，其它的系数对应的列值x分别如表1所示。
表1.不同大小的编码块的阈值系数项所对应的列号
步骤102，若SAD＜TH(0)·qStep，则提前判定变换块为全零系数块，跳过后续的变换和量化过程，转步骤110。
步骤103，一维行变换。在HEVC以行列分离的形式实现二维DCT变换的框架内，首先对残差矩阵X的每一行按下式作一维DCT变换：
Y＝AXT (8)
步骤104，若某一列已在步骤101被判定为全零系数列，则转步骤109；否则转步骤105。
步骤105，以一维行变换的中间结果为输入，逐列检测输入的列是否为全零系数列。
公式(8)所示的一维行变换的输出是一个中间结果系数矩阵Y，HEVC按下式对YT的每一列进行一维列变换计算最终的DCT系数矩阵F。
F＝AYT (9)
设yn代表YT矩阵中的第n列，对应的DCT系数矩阵F中的第n列按下式计算：
fn＝Ayn (10)
进一步地，可将式(10)写成如下对向量yn中的各个元素加权求和的形式计算各个变换系数：
显然，第n个列向量的第0个元素为
列向量fn中除第0个元素外的其它元素的上界值可按下式确定
由式(12)和(13)，若下式成立则列fn经量化后为全零系数列。
并且
步骤106，若式(14)成立则判定相应的列经变换量化后为全零系数列，跳过后续对该列的一维列变换和量化步骤，转步骤109执行。
步骤107，按式(10)进行一维列变换，求变换块相应列的二维DCT变换系数。
步骤108，判断DCT变换矩阵中位于当前列之后的列是否全部为全零系数列。
对变换块的二维DCT变换是一种正交变换，由帕塞瓦尔能量保持定理，变换之前的各个系数的平方和等于变换后的各个DCT系数的平方之和，即
当如式(10)所示的列变换进行到第K列，从第0列到第K列的DCT系数已计算获得，系数矩阵中余下的元素的平方和为：
显然，系数矩阵中第K列之后的任一个元素满足下列条件。
F2(u，v)≤SK，其中v＞K (17)
进一步地，当下式成立，转步骤111，对第K列之后的列的一维列变换和量化步骤可以省略。
SK＜(qStep)2 (18)
步骤109，将二维DCT系数矩阵中被判定为全零系数列的所有元素置为0。
步骤110，将被判定为全零系数块的所有元素置为0。
步骤111，DCT系数矩阵中第K列之后的元素全部置为零。
在HEVC中，二维DCT变换由两个顺序执行的一维变换实现，为避免浮点运算，对矩阵A中的所有参数放大2(6+M/2)倍且取整，其中M＝log2N。在一维行变换后，中间结果矩阵中的每个元素都右移M-9+B位，其中B是像素的位深度，所以在按式(14)和(16)计算时需要相应地左移(15-B-M/2)位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改或替换等，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种提高HEVC编码器离散余弦变换处理速度的方法，以变换块的残差矩阵为输入，输出经二维DCT变换和量化后的系数矩阵，其特征在于，包括：
(1)为N×N的变换块预设L个依次递增的阈值系数TH(0)，TH(1)，...，TH(L-1)，其中TH(0)是对应二维DCT系数矩阵列下标为0的列的阈值系数，L是一个不大于N的正整数，设SAD为变换块块内残差绝对值之和，qStep是根据量化参数确定的量化步长，若下式成立，则提前判定变换块为全零系数块，
SAD＜TH(0)·qStep
否则，若对于0＜i≤L-1，存在阈值系数TH(i)使下式成立，则判定变换块的二维DCT系数矩阵中与TH(i)对应的列以及之后的列为全零系数列；
TH(i-1)·qStep≤SAD＜TH(i)·qStep
(2)对变换块进行第一级一维离散余弦变换，逐列地处理所述第一级一维离散余弦变换结果矩阵的转置矩阵，设yn(i)代表所述结果矩阵的转置矩阵的第n列第i个元素，按下式计算变换块的二维DCT系数矩阵的第n个列向量的第0个元素fn(0)，
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按下式计算二维DCT系数矩阵的第n个列向量中除第0个元素之外的其它元素的上界值，
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</mfrac>
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其中，fn(m)代表二维DCT系数矩阵的第n列第m个元素，若下式成立，
并且
则所述二维DCT系数矩阵第n个列向量的第0个元素的绝对值小于根据量化参数确定的量化步长，并且除第0个元素之外的其它元素的上界值小于根据量化参数确定的量化步长，可提前判定变换块的二维DCT系数矩阵的第n列为全零系数列；
(3)设N×N大小的变换块残差矩阵X，以变换块经过第一级一维离散余弦变换所得的结果矩阵的转置矩阵为输入，逐列地进行第二级一维离散余弦变换，设已完成第0列到第K列的第二级一维离散余弦变换，按下式计算二维DCT系数矩阵列下标大于等于K+1的系数的平方和SK，
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</mrow>
</mrow>
其中，代表变换块X所有元素的平方和，为所述二维DCT系数矩阵从第0列到第K列系数的平方和，若下式成立，则提前判定二维DCT系数矩阵位于第K列之后的列为全零系数列，
<mrow>
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<mi>S</mi>
<mi>K</mi>
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2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果根据所述(1)判定变换块为全零系数块，则跳过后续的第一级和第二级一维离散余弦变换，置变换块的二维DCT系数矩阵的所有元素为0；如果变换块中的一列被判定为全零系数列，则在第二级一维离散余弦变换中忽略该列，置所述变换块的二维DCT系数矩阵对应列的所有元素为0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对应第x列的阈值系数为：
<mrow>
<mi>T</mi>
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<mo>,</mo>
<mi>x</mi>
</mrow>
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</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，N是变换块的尺寸，c是大于等于3.0的预设常数，[ARAT]0，0和[ARAT]x，x分别代表A、R、和AT三个矩阵相乘所得矩阵的(0，0)位置元素和(x，x)位置元素，上标T代表矩阵转置，A为离散余弦变换核矩阵，其中的元素为：
<mrow>
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<mo>,</mo>
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<mi>c</mi>
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<mi>i</mi>
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</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>N</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，若i＝0，则Ci＝1；否则，R为如下形式的矩阵：
其中(m，n)位置的元素为r(m，n)＝q|m-n|，q为预设的常数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设常数q的取值可以在0.45到0.75之间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(2)中，对变换块进行第一级一维离散余弦变换的计算公式如下：
Y＝AXT
其中X代表变换块的残差矩阵，Y为第一级一维离散余弦变换的结果矩阵，A为离散余弦变换核矩阵。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(3)中，所述以变换块经过第一级一维离散余弦变换所得的结果矩阵的转置矩阵为输入，逐列地进行第二级一维离散余弦变换，计算公式如下：
F＝AYT
其中F为二维DCT系数矩阵，Y为第一级一维离散余弦变换的结果矩阵，A为离散余弦变换核矩阵。
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-
2015
- 2015-11-13 CN CN201510776362.4A patent/CN105306956B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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| Title |
|---|
| 基于DCT系数统计特性的HEVC视频双压缩检测算法;黄美玲等;《光电子激光》;20150430;第26卷(第4期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105306956A (zh) | 2016-02-03 |
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