CN105338366A - 一种视频序列中分数像素的解码方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种视频序列中分数像素的解码方法，包括步骤：(1)在解码每帧视频序列的头信息时，解码三组滤波器，假设这三组滤波器分别是[f1 1,f2 1,.....,f7 1]，[f1 2,f2 2,.....,f8 2]和[f1 3,f2 3,.....,f7 3]，其中i＝1,2,3,4，fi j为整数，范围为[-63,63]，

Description

一种视频序列中分数像素的解码方法
技术领域
本发明属于图像处理的技术领域，具体地涉及一种视频序列中分数像素的解码方法。
背景技术
从2003年以来,H.264/AVC作为视频标准在互联网、数字电视、移动网络等领域得到了广泛的应用。随着人们对高清视频的需求,H.264的编码效率已经不能满足人们的要求。于是JCT-VC组织开发了新一代视频压缩标准HighEfficiencyVideoCoding(HEVC)。
在相同客观质量下，HEVC相对于H.264可以节省50％的码率。
图1是HEVC亮度层分数像素的示意图，大写字母表示整数像素，小写字母表示分数像素。HEVC分数像素运动补偿采用最高精度为1/4像素的运动补偿。进行分数像素运动补偿首先需要估计出分数像素的像素值，HEVC亮度层分数位像素如图1所示。
在HEVC中采用固定一维7抽头和8抽头可分离滤波器组合产生1/2和1/4像素的亮度值。对于亮度层采用三组固定抽头系数的基于DCT的滤波器来通过内插方法得到分数位置的像素值，这三组滤波器分别是[-1，4，-10，58，17，-5，1]，[-1，4，-11，40，40-11，4，-1]，[1，-5，17，58，-10，4，-1]，其中第一组滤波器系数的倒序就是第三组滤波器的系数，第一组和第三组滤波器的抽头数为7，第二组的滤波器的抽头数为8。
图1中分数像素的像素值由公式(1)得到
a 0 , 0 = ( - A - 3 , 0 + 4 * A - 2 , 0 - 10 * A - 1 , 0 + 58 * A 0 , 0 + 17 * A 1 , 0 - 5 * A 2 , 0 + A 3 , 0 ) > > 6 b 0 , 0 = ( - A - 3 , 0 + 4 * A - 2 , 0 - 11 * A - 1 , 0 + 40 * A 0 , 0 + 40 * A 1 , 0 - 11 * A 2 , 0 + 4 * A 3 , 0 - A 4 , 0 ) > > 6 c 0 , 0 = ( - A - 2 , 0 + 4 * A - 1 , 0 + 17 * A 0 , 0 + 58 * A 1 , 0 - 10 * A 2 , 0 + 4 * A 3 , 0 - A 4 , 0 ) > > 6 d 0 , 0 = ( - A 0 , - 3 + 4 * A 0 , - 2 - 10 * A 0 , - 1 + 58 * A 0 , 0 + 17 * A 0 , 1 - 5 * A 0 , 2 + A 0 , 3 ) > > 6 h 0 , 0 = ( - A 0 , - 3 + 4 * A 0 , - 2 - 11 * A 0 , - 1 + 40 * A 0 , 0 + 40 * A 0 , 1 - 11 * A 0 , 2 + 4 * A 0 , 3 - A 0 , 4 ) > > 6 n 0 , 0 = ( - A 0 , - 2 - 5 * A 0 , - 1 + 17 * A 0 , 0 + 58 * A 0 , 1 - 10 * A 0 , 2 + 4 * A 0 , 3 - A 0 , 4 ) > > 6 e 0 , 0 = ( - a 0 , - 3 + 4 * a 0 , - 2 - 10 * a 0 , - 1 + 58 * a 0 , 0 + 17 * a 0 , 1 - 5 * a 0 , 2 + a 0 , 3 ) > > 6 i 0 , 0 = ( - a 0 , - 3 + 4 * a 0 , - 2 + 11 * a 0 , - 1 + 40 * a 0 , 0 + 40 * a 0 , 1 - 11 * a 0 , 2 + 4 * a 0 , 3 - a 0 , 4 ) > > 6 p 0 , 0 = ( - a 0 , - 2 - 5 * a 0 , - 1 + 17 * a 0 , 0 + 58 * a 0 , 1 - 10 * a 0 , 2 + 4 * a 0 , 3 - a 0 , 4 ) > > 6 f 0 , 0 = ( - b 0 , - 3 + 4 * a 0 , - 2 - 10 * b 0 , - 1 + 58 * b 0 , 0 + 17 * b 0 , 1 - 5 * b 0 , 2 + b 0 , 3 ) > > 6 j 0 , 0 = ( - b 0 , - 3 + 4 * b 0 , - 2 - 11 * b 0 , - 1 + 40 * b 0 , 0 + 40 * b 0 , 1 - 11 * b 0 , 2 + 4 * b 0 , 3 - b 0 , 4 ) > > 6 q 0 , 0 = ( - b 0 , - 2 - 5 * b 0 , - 1 + 17 * b 0 , 0 + 58 * b 0 , 1 - 10 * b 0 , 2 + 4 * b 0 , 3 - b 0 , 4 ) > > 6 g 0 , 0 = ( - c 0 , - 3 + f 2 1 * c 0 , - 2 10 * c 0 , - 1 + 58 * c 0 , 0 + 17 * c 0 , 1 - 5 * c 0 , 2 + c 0 , 3 ) > > 6 k 0 , 0 = ( - c 0 , - 3 + 4 * c 0 , - 2 - 11 * c 0 , - 1 + 40 * c 0 , 0 + 40 * c 0 , 1 - 11 * c 0 , 2 + 4 * c 0 , 3 - c 0 , 4 ) > > 6 r 0 , 0 = ( - c 0 , - 2 - 5 * c 0 , - 1 + 17 * c 0 , 0 + 58 * c 0 , 1 - 10 * c 0 , 2 + 4 * c 0 , 3 - c 0 , 4 ) > > 6 - - - ( 1 )
其中a,b和c由水平方向上的整像素进行与相应滤波器做内积得到，d，h和n由竖直方向整像素与其相对应的滤波器做内积得到。得到a,b,c,d,h和n只需要拥有整数位置的像素即可，得到其他分数位置的像素需要以a,b和c为基础。其中大写字母Ai,j表示第j行第i列整数像素位置的像素值；小写字母ai,j，bi,j，ci,j，di,j，ei,j，fi,j，hi,j，ii,j，ji,j，ki,j，ni,j，pi,j，qi,j和ri,j表示分数像素位置的像素值，其下标i,j表示这些分数像素的位置。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种视频序列中分数像素的解码方法，其能够适用于任何以帧级别分数像素的自适应插值的解码。
本发明的技术解决方案是：这种视频序列中分数像素的解码方法，该方法包括以下步骤：
(1)在解码每帧视频序列的头信息时，解码三组滤波器，假设这三组滤波器分别是[f1 2,f2 2,.....,f8 2]和其中i＝1,2,3,4，fi j为整数，范围为[-63,63]，j＝1,2,3，i＝1,2,....8；每七个bit表示一个滤波器抽头系数，第一个bit表示正负号，第二个至第七个bit表示滤波器抽头系数绝对值，一共需解码18个抽头系数，其中fi j表示第j组滤波器第i个抽头系数；
(2)在解码符号标志位阶段，判断是否属于SKIP模式，是则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)不解码分数位像素采用哪种插值滤波器，全部使用解码得到的三组滤波器，跳转到步骤(5)；
(4)解码分数运动向量不为(0,0)的预测块的插值滤波器的符号标志位，若解码为0表示分数插值滤波器使用解码得到的插值滤波器，若解码为1表示分数插值滤波器使用原有HEVC插值滤波器；
(5)在运动补偿阶段根据解码的插值滤波器符号标志位，进行相对应的分数位像素插值。
由于本方法以帧级别传输滤波器；对于SKIP模式不需要解码采用哪种插值滤波器，全部采用解码得到的插值滤波器；只对于非SKIP模式下的分数运动向量不为(0,0)编入符号标志位来确定使用哪种插值滤波器；所以该方法能够适用于任何以帧级别分数像素的自适应插值的解码。
附图说明
图1是HEVC亮度层分数像素的示意图；
图2示出了Kimono测试序列中本方法与HEVC参考代码HM12.1的比较结果；
图3示出了BasketballDrive测试序列中本方法与HEVC参考代码HM12.1的比较结果；
图4是根据本发明的视频序列中分数像素的解码方法的流程图。
具体实施方式
如图4所示，这种视频序列中分数像素的解码方法，该方法包括以下步骤：
(1)在解码每帧视频序列的头信息时，解码三组滤波器，假设这三组滤波器分别是[f1 2,f2 2,.....,f8 2]和其中i＝1,2,3,4，fi j为整数，范围为[-63,63]，j＝1,2,3，i＝1,2,....8；每七个bit表示一个滤波器抽头系数，第一个bit表示正负号，第二个至第七个bit表示滤波器抽头系数绝对值，一共需解码18个抽头系数，其中fi j表示第j组滤波器第i个抽头系数；
(2)在解码符号标志位阶段，判断是否属于SKIP模式，是则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)不解码分数位像素采用哪种插值滤波器，全部使用解码得到的三组滤波器，跳转到步骤(5)；
(4)解码分数运动向量不为(0,0)的预测块的插值滤波器的符号标志位，若解码为0表示分数插值滤波器使用解码得到的插值滤波器，若解码为1表示分数插值滤波器使用原有HEVC插值滤波器；
(5)在运动补偿阶段根据解码的插值滤波器符号标志位，进行相对应的分数位像素插值。
由于本方法以帧级别传输滤波器；对于SKIP模式不需要解码采用哪种插值滤波器，全部采用解码得到的插值滤波器；只对于非SKIP模式下的分数运动向量不为(0,0)编入符号标志位来确定使用哪种插值滤波器；所以该方法能够适用于任何以帧级别分数像素的自适应插值的解码。
优选地，所述步骤(1)包括以下分步骤：
(1.1)解码7个滤波器系数，组成第一组滤波器；
(1.2)解码4个滤波器系数，由对称性得到第二组滤波器；
(1.3)解码7个滤波器系数组成第三组滤波器。
优选地，所述步骤(1)中使用等概率算数解码方法。
优选地，所述步骤(4)中解码插值滤波器符号标志位使用自适应二元算数解码，上下文个数为1。
具体做法如下：
从背景技术得知：估计出分数像素的像素值，只需要得到三组插值滤波器即可。在HEVC中第三组滤波器的倒序就是第一组滤波器，这里去除这一要求，即第三组滤波器和第一组滤波器可以完全没有关系。首先解码每帧图像的头信息时，解码本帧所编码端传输的插值滤波器，要求第一组滤波器抽头数为7，第二组滤波器抽头数为8，同时保持对称性要求，第三组滤波器抽头数为7。假设这三组滤波器分别是[f1 2,f2 2,.....,f8 2]和其中i＝1,2,3,4。要求fi j为整数，范围为[-63,63]，要求j＝1,2,3，i＝1,2,....8。每个抽头系数用7个bit表示即可，第一位表示正负号，剩下六位表示抽头系数绝对值。首先解码第一组滤波器7个抽头系数，其次解码第二组滤波器4个抽头系数，然后解码第三组滤波器7个抽头系数(使用等概率算数解码方法例如HM中的decodebinEP)。
每种预测单元有两种模式，对于SKIP模式分数位插值滤波器全部使用解码得到的三组滤波器，不使用HEVC原有的插值滤波器。对于非SKIP模式，在解码当前预测单元运动向量以后，如需要分数像素插值则需要解码该向量对应的插值使用哪种插值滤波器，若解码得到的插值滤波器符号标志位为0，则使用解码得到的插值滤波器，若符号标志位为1否则使用HEVC原有插值滤波器。解码插值滤波器符号标志位使用自适应二元算数解码，上下文个数为1(例如HM中decodeBin)。
假设解码当前预测单元插值滤波器符号标志位为0，得到分数像素位置的运动向量为(1/4,0),需要估计出图1中a位置对应的像素，使用下式估计
a i , j = ( f 1 1 * A i - 3 , j + f 2 1 * A 1 - 2 , j + f 3 1 * A i - 1 , j + f 4 1 * A i , j + f 5 1 * A i + 1 , j + f 6 1 * A i + 2 , j + f 7 1 * A i + 3 , j ) > > 6.
插值方法类似于公式(1)中第一个式子，只需将式子中右边整数像素或分数像素前系数换成对应的滤波器抽头系数即可。所有采用解码得到的插值滤波器的插值方法具体如公式(2)。
a 0 , 0 = ( f 1 1 * A - 3 , 0 + f 2 1 * A - 2 , 0 + f 3 1 * A - 1 , 0 + f 4 1 * A 0 , 0 + f 5 1 * A 1 , 0 + f 6 1 * A 2 , 0 + f 7 1 * A 3 , 0 ) > > 6 b 0 , 0 = ( f 1 2 * A - 3 , 0 + f 2 2 * A - 2 , 0 + f 3 2 * A - 1 , 0 + f 4 2 * A 0 , 0 + f 5 2 * A 1 , 0 + f 6 2 * A 2 , 0 + f 7 2 * A 3 , 0 + f 8 2 * A 4 , 0 ) > > 6 c 0 , 0 = ( f 1 3 * A - 2 , 0 + f 2 3 * A - 1 , 0 + f 3 3 * A 0 , 0 + f 4 3 * A 1 , 0 + f 5 3 * A 2 , 0 + f 6 3 * A 3 , 0 + f 7 3 * A 4 , 0 ) > > 6 d 0 , 0 = ( f 1 1 * A 0 , - 3 + f 2 1 * A 0 , - 2 + f 3 1 * A 0 , - 1 + f 4 1 * A 0 , 0 + f 5 1 * A 0 , 1 + f 6 1 * A 0 , 2 + f 7 1 * A 0 , 3 ) > > 6 h 0 , 0 = ( f 1 2 * A 0 , - 3 + f 2 2 * A 0 , - 2 + f 3 2 * A 0 , - 1 + f 4 2 * A 0 , 0 + f 5 2 * A 0 , 1 + f 6 2 * A 0 , 2 + f 7 2 * A 0 , 3 + f 8 2 * A 0 , 4 ) > > 6 n 0 , 0 = ( f 1 3 * A 0 , - 2 + f 2 3 * A 0 , - 1 + f 3 3 * A 0 , 0 + f 4 3 * A 0 , 1 + f 5 3 * A 0 , 2 + f 6 3 * A 0 , 3 + f 7 3 * A 0 , 4 ) > > 6 e 0 , 0 = ( f 1 1 * a 0 , - 3 + f 2 1 * a 0 , - 2 + f 3 1 * a 0 , - 1 + f 4 1 * a 0 , 0 + f 5 1 * a 0 , 1 + f 6 1 * a 0 , 2 + f 7 1 * a 0 , 3 ) > > 6 i 0 , 0 = ( f 1 2 * a 0 , - 3 + f 2 2 * a 0 , - 2 + f 3 2 * a 0 , - 1 + f 4 2 * a 0 , 0 + f 5 2 * a 0 , 1 + f 6 2 * a 0 , 2 + f 7 2 * a 0 , 3 + f 8 2 * a 0 , 4 ) > > 6 p 0 , 0 = ( f 1 3 * a 0 , - 2 + f 2 3 * a 0 , - 1 + f 3 3 * a 0 , 0 + f 4 3 * a 0 , 1 + f 5 3 * a 0 , 2 + f 6 3 * a 0 , 3 + f 7 3 * a 0 , 4 ) > > 6 f 0 , 0 = ( f 1 1 * b 0 , - 3 + f 2 1 * a 0 , - 2 + f 3 1 * b 0 , - 1 + f 4 1 * b 0 , 0 + f 5 1 * b 0 , 1 + f 6 1 * b 0 , 2 + f 7 1 * b 0 , 3 ) > > 6 j 0 , 0 = ( f 1 2 * b 0 , - 3 + f 2 2 * b 0 , - 2 + f 3 2 * b 0 , - 1 + f 4 2 * b 0 , 0 + f 5 2 * b 0 , 1 + f 6 2 * b 0 , 2 + f 7 2 * b 0 , 3 + f 8 2 * b 0 , 4 ) > > 6 q 0 , 0 = ( f 1 3 * b 0 , - 2 + f 2 3 * b 0 , - 1 + f 3 3 * b 0 , 0 + f 4 3 * b 0 , 1 + f 5 3 * b 0 , 2 + f 6 3 * b 0 , 3 + f 7 3 * b 0 , 4 ) > > 6 g 0 , 0 = ( f 1 1 * c 0 , - 3 + f 2 1 * c 0 , - 2 + f 3 1 * c 0 , - 1 + f 4 1 * c 0 , 0 + f 5 1 * c 0 , 1 + f 6 1 * c 0 , 2 + f 7 1 * c 0 , 3 ) > > 6 k 0 , 0 = ( f 1 2 * c 0 , - 3 + f 2 2 * c 0 , - 2 + f 3 2 * c 0 , - 1 + f 4 2 * c 0 , 0 + f 5 2 * c 0 , 1 + f 6 2 * c 0 , 2 + f 7 2 * c 0 , 3 + f 8 2 * c 0 , 4 ) > > 6 r 0 , 0 = ( f 1 3 * c 0 , - 2 + f 2 3 * c 0 , - 1 + f 3 3 * c 0 , 0 + f 4 3 * c 0 , 1 + f 5 3 * c 0 , 2 + f 6 3 * c 0 , 3 + f 7 3 * c 0 , 4 ) > > 6 - - - ( 2 )
其中滤波器在编码端由可以由下列方法得到
记录上一帧所有最优分数位运动向量为(1/2,0)或者(0，1/2)的预测单元的像素,假设这些像素的原始像素值为yi，其中i＝1,2,3,......N，N为所有这些块像素的个数的和，得出其分数像素的参考帧上的整数位置的像素值为假设所求的滤波器系数为[f1 2,f2 2,.....,f8 2]，要求这组滤波器具有对称性，即fi＝f9-i，其中i＝1,2,3,4，可得公式(3)。
y 1 y 2 y 3 . . . y N = d 1 1 d 2 1 d 3 1 ...... d 8 1 d 1 2 d 2 2 d 3 2 ...... d 8 2 d 1 3 d 2 3 d 3 3 ...... d 8 3 . . . . . . . . . . . . d 1 N d 2 N d 3 N ...... d 8 N 1 1 1 1 1 1 1 1 f 1 2 f 2 2 f 3 2 f 4 2 - - - ( 3 )
求解公式(1)就得到第二组滤波器的系数。
同理记录上一帧最优分数位运动向量为(1/4,0)或(0，1/4)的预测单元的像素，假设这些像素的原始值为zi，其中i＝1,2,3,......N，N为所有这些像素的个数的和，假设得出其分数像素的参考帧上的整数位置的像素值为假设所求的滤波器系数为则
z 1 z 2 z 3 . . . z N = d 1 1 d 2 1 d 3 1 ...... d 7 1 d 1 2 d 2 2 d 3 2 ...... d 7 2 d 1 3 d 2 3 d 3 3 ...... d 7 3 . . . . . . . . . . . . d 1 N d 2 N d 3 N ...... d 7 N f 1 1 f 2 1 f 3 1 . . . f 7 1 - - - ( 4 )
求解公式(4)得到第一组滤波器的系数。
同理记录上一帧所有最优分数位运动向量为(3/4,0)或(0，3/4)的预测单元的像素，假设这些像素的原始值为wi，其中i＝1,2,3,......N，N为所有这些像素的个数的和，得出其分数像素的参考帧上的整数像素值为设所求的滤波器系数为则
w 1 w 2 w 3 . . . w N = d 1 1 d 2 1 d 3 1 ...... d 7 1 d 1 2 d 2 2 d 3 2 ...... d 7 2 d 1 3 d 2 3 d 3 3 ...... d 7 3 . . . . . . . . . . . . d 1 N d 2 N d 3 N ...... d 7 N f 1 3 f 2 3 f 3 3 . . . f 7 3 - - - ( 5 )
求解公式(5)就得到第三组滤波器的系数。
在求解公式(3)，(4)和(5)时，采用广义逆和LU分解求解这三组滤波器系数。
在对当前帧进行分数位插值时，利用上一帧数据得到的滤波器与HEVC原有滤波器的插值结果进行率失真优化比较，选取最好的插值滤波器，并记录下使用哪种插值滤波器。
为了验证所提方案的有效性，将所得的解码器对应的编码方案与HEVC参考代码HM12.1做了比较。
采用lowdelay_P_main配置文件，测试了QP＝22,27,32和37，采用标准评价实验结果。
在Kimono测试序列中所提出方法的相比较HEVC取得了8.3％的增益，在BasketballDrive测试序列中，取得了4.3％的增益。从表1可以观察到，除了ParkScene有少许损失，其它序列都取得了增益。平均增益为3.21％，编码端复杂度平均增加4.21％，解码端复杂度增加6.5％。
表1
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种视频序列中分数像素的解码方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)在解码每帧视频序列的头信息时，解码三组滤波器，假设这三组滤波器分别是和其中i＝1,2,3,4，为整数，范围为[-63,63]，j＝1,2,3，i＝1,2,....8；每七个bit表示一个滤波器抽头系数，第一个bit表示正负号，第二个至第七个bit表示滤波器抽头系数绝对值，一共需解码18个抽头系数，其中表示第j组滤波器第i个抽头系数；
(2)在解码符号标志位阶段，判断是否属于SKIP模式，是则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)不解码分数位像素采用哪种插值滤波器，全部使用解码得到的三组滤波器，跳转到步骤(5)；
(4)解码分数运动向量不为(0,0)的预测块的插值滤波器的符号标志位，若解码为0表示分数插值滤波器使用解码得到的插值滤波器，若解码为1表示分数插值滤波器使用原有HEVC插值滤波器；
(5)在运动补偿阶段根据解码的插值滤波器符号标志位，进行相对应的分数位像素插值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下分步骤：
(1.1)解码7个滤波器系数，组成第一组滤波器；
(1.2)解码4个滤波器系数，由对称性得到第二组滤波器；
(1.3)解码7个滤波器系数组成第三组滤波器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用等概率算数解码方法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中解码插值滤波器符号标志位使用自适应二元算数解码，上下文个数为1。
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