CN105847838B - 一种hevc帧内预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HEVC帧内预测方法，包括以下步骤，步骤1，在编码单元层，计算出水平、垂直、45°、135°的全局边缘复杂度；步骤2，在编码单元层，判断各方向的全局边缘复杂度与阈值TH的关系，确定编码单元是否需要划分；步骤3，在预测单元层，判断编码单元在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度关系，确定选取的候选模式数。本发明从编码单元和预测单元两方面对帧内预测进行优化，有效地减少帧内预测的计算复杂度，节省编码时间，提高编码效率。

Description

一种HEVC帧内预测方法
技术领域
本发明涉及一种HEVC帧内预测方法，属于视频编码技术领域。
背景技术
随着高清和超高清视频的出现，人们在视觉和各类的应用上对视频的要求都越来越高,2003年所制定的H.264/AVC视频编码标准已经满足不了人们日益增长的需求，于是联合协作视频编码组在德累斯顿的JCT-VT第一次会议中提出了新一代视频编码标准(HighEfficiency Video Coding，HEVC)，2013年初,HEVC最终定稿。HEVC引入了很多先进的编码技术来提高编码效率，相比较上一代视频压缩标准H.264/AVC,在相同图像质量下HEVC能节省50％的码率,但是算法复杂度更高，尤其在帧内预测中。帧内预测是HEVC的重要部分之一，它是HEVC编码框架中复杂度较高的模块，难以满足实际应用的需求。因此，需要对帧内预测进行优化，使得提高编码的速度，以便于实际的存储和传输。
从国内外大量的文献可知,提高编码速度主要从编码单元(Coding Unit,CU)层和预测单元(Prediction Unit,PU)层两方面进行优化实现。一方面，在帧内预测时，利用块类型提前终止或者跳过的思想，对编码单元类型进行预判断，跳过一些不合适此图像纹理的编码块类型或者提前终止不必要的编码块类型的编码过程，从而降低算法复杂度，节省编码时间。Yan等人提出了一种基于时空相关的编码单元深度快速分级判决算法(Yan Ke,TENG Gou-wei,Hu Jin-wen,et al.A rapid classification decision algorithm on CUdepth based on temporal-spatial correlation[J].Journal of OptoelectronicsLaser,2014,25(1):156-162)；Cho等人提出了一种次优的CU分割算法，在率失真性能损失较小的情况下提高了编码速度(Cho S.Kim M.Fast CU splitting and pruning forsuboptimal CU partitioning in HEVC intracoding.IEEE Transactions on Circuitsand Systems for Video Technology,2013,23(9):1555-1564)；Wang等人提出了CU分割提前终止的算法，减少了CU分割搜索层次(Wang H,Wee Y,Kim J,et al.An earlytermination method using the residual in high efficiency video coding.Proc.ofIEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems andBroadcast.2012,1-2)。上述方法虽然对编码效率的提高起到了一定的作用，但是效果有限，仍然需要对CU的划分作进一步的处理，更大程度的减少编码时间，提高编码效率。
另一方面，针对当前编码单元的众多预测模式，通过低复杂度的方法提前排除一些可能性小的预测模式，从而减少率失真优化(RDO)模式选择过程中的候选模式数目，降低算法复杂度，减少编码时间。Piao等人提出了一种粗略模式选择(RMD)的方法，将粗选预测模式通过RDO得到最佳预测模式(Piao Y,Min J,Chen J.Encoder improvement ofunified intra prediction.Guangzhou:ITU-T SG16 WP3and ISO/IECJTC1/SC29/WG113rd Meeting,2010,JCTVC-C207)；Da Silva等人利用像素间的变化将35种候选预测模式减少到9种,但数目仍然较多(da Silva T L,Agostini L V,DA Silva LA.Fast HEVC intraprediction mode decision based on EDGE direction information.SignalProcessing Conference(EUSIPCO),Bucharest:IEEE,2012:1214-1218)；Zhao等人在此基础上进一步减少了候选预测模式的数目，降低了算法复杂度(Zhao L,Zhang L,Ma S.etal.Fast mode decision algorithm for intra pre-diction in HEVC.Proc.of IEEEVisual Communication and Image Processing,2011:1-4)。上述方法在一定程度上减少了候选模式数，但是最终得到的率失真候选模式数目仍然较多，导致编码效果不佳。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种HEVC帧内预测方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种HEVC帧内预测方法，包括以下步骤，
步骤1，在编码单元层，计算出水平、垂直、45°、135°的全局边缘复杂度；
包括计算出编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gh、Gv、G45、G135，计算出子编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gsh、Gsv、Gs45、Gs135，计算出编码子模块在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度G′h(k)、G′v(k)；
步骤2，在编码单元层，判断各方向的全局边缘复杂度与阈值TH的关系，确定编码单元是否需要划分；
步骤3，在预测单元层，判断编码单元在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度关系，确定选取的候选模式数。
编码单元在水平方向的全局边缘复杂度Gh，
编码单元在垂直方向的全局边缘复杂度Gv，
编码单元在45°方向的全局边缘复杂度G45，
编码单元在135°方向的全局边缘复杂度G135，
编码子模块在水平方向的全局边缘复杂度G′h(k)，
编码子模块在垂直方向的全局边缘复杂度G′v(k)，
其中，N表示当前编码块尺寸大小，Y(i,j)表示在像素(i,j)处的亮度值，Ym表示平均亮度，k表示取第k个编码子模块。
步骤2的具体过程为，
如果Gh小于等于TH，并且Gsh和G′h(k)均小于等于TH/4，则编码单元用水平方向来表示，编码单元不划分；
如果Gv小于等于TH，并且Gsv和G′v(k)均小于等于TH/4，则编码单元用垂直方向来表示，编码单元不划分；
如果G45小于等于TH，并且Gs45小于等于TH/4，则编码单元用45°方向来表示，编码单元不划分；
如果G135小于等于TH，并且Gs135小于等于TH/4，则编码单元用135°方向来表示，编码单元不划分；
如果Gh、Gv、G45、G135均大于TH，则对编码单元进行划分；
其他情况正常编码。
步骤3的具体过程为，如果Gh小于Gv，那么只选取水平模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算；如果Gh大于Gv，那么只选取垂直模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算。
本发明所达到的有益效果：本发明从编码单元和预测单元两方面对帧内预测进行优化，有效地减少帧内预测的计算复杂度，节省编码时间，提高编码效率。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为全局边缘方向示意图。
图3为编码单元递归划分原理图。
图4为35种帧内预测模式。
图5为本发明与HM10.0的性能曲线比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种HEVC帧内预测方法，包括以下步骤：
步骤1，在编码单元层，计算出水平、垂直、45°、135°的全局边缘复杂度。
如图2所示，计算出编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gh、Gv、G45、G135，计算出子编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gsh、Gsv、Gs45、Gs135，计算出编码子模块在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度G′h(k)、G′v(k)。
编码单元在水平方向的全局边缘复杂度Gh，
编码单元在垂直方向的全局边缘复杂度Gv，
编码单元在45°方向的全局边缘复杂度G45，
编码单元在135°方向的全局边缘复杂度G135，
编码子模块在水平方向的全局边缘复杂度G′h(k)，
编码子模块在垂直方向的全局边缘复杂度G′v(k)，
其中，N表示当前编码块尺寸大小，Y(i,j)表示在像素(i,j)处的亮度值，Ym表示平均亮度，k表示取第k个编码子模块。
步骤2，在编码单元层，判断各方向的全局边缘复杂度与阈值TH的关系，确定编码单元是否需要划分。
由图3可知，编码单元递归划分的计算复杂度很高，需要跳过一些不合适此图像纹理的编码块类型或者提前终止不必要的编码块类型的编码过程，从而降低算法复杂度，节省编码时间。
如果Gh小于等于TH，并且Gsh和G′h(k)均小于等于TH/4，则编码单元用水平方向来表示，编码单元不划分；如果Gv小于等于TH，并且Gsv和G′v(k)均小于等于TH/4，则编码单元用垂直方向来表示，编码单元不划分；如果G45小于等于TH，并且Gs45小于等于TH/4，则编码单元用45°方向来表示，编码单元不划分；如果G135小于等于TH，并且Gs135小于等于TH/4，则编码单元用135°方向来表示，编码单元不划分；如果Gh、Gv、G45、G135均大于TH，则对编码单元进行划分；其他情况正常编码。
为了使率失真性能损失尽可能的小，阈值的选取至关重要。量化参数QP选取32时，经过大量的实验仿真，为了使命中率达到80％以上，选取TH＝800时，效果最佳。
步骤3，在预测单元层，判断编码单元在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度关系，确定选取的候选模式数。
由图4可知，HEVC帧内预测过程将35种预测模式数减少到了3+MPM或8+MPM种，但是效果有限。考虑到8×8和4×4尺寸的预测单元的候选模式数仍然比较多，因此减少RDO的候选模式数，将更有效的减少编码时间，提高编码效率。
如果Gh小于Gv，那么只选取水平模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算；如果Gh大于Gv，那么只选取垂直模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算。
为了验证本发明方法的效果，本发明方法以HEVC的测试模型HM10.0为参照进行实验。实验平台为Inter(R)Core(TM)i5-3470CPU@3.20GHz,4.0GB内存，Windows7操作系统。因为本发明方法只针对帧内预测进行优化，故采用的编码配置为全I帧编码模式，QP选取32，测试序列全部统一编码100帧。比较编码效率的参考指标有：码率增量ΔBitrate、峰值信噪比增量ΔPSNR、编码时间ΔEncTime，分别如以下公式定义：
ΔPSNR＝PSNRProposed-PSNRHM10.0
其中，BitrateProposed、PSNRProposed、EncTimeProposed分别表示本发明提出的快速方法的平均比特率、峰值信噪比、编码时间；BitrateHM10.0、PSNRHM10.0、EncTimeHM10.0分别表示HEVC测试模型HM10.0的比特率、峰值信噪比、编码时间。对比结果如表一所示。
表一本发明算法与HM10.0算法的实验结果比较
根据表一的数据可以得出，本发明方法与HM10.0相比，平均减少48.06％的编码时间，而Bitrate只提高了0.343％，PSNR只损失了0.148dB，在质量几乎没有下降的前提下，有效地减少帧内预测的计算复杂度，节省了编码时间。
图5为本发明方法与HM10.0的性能曲线比较，序列BasketballPass在本发明方法的RD曲线与HM10.0标准方法的RD曲线基本重合，从客观质量方面比较，编码性能没有明显的下降；HM10.0标准方法的编码重构图像与本发明方法编码重构图像并无太大差距。因此，本发明从编码单元和预测单元两方面对帧内预测进行优化，有效地减少帧内预测的计算复杂度，节省编码时间，提高编码效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种HEVC帧内预测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，在编码单元层，计算出水平、垂直、45°、135°的全局边缘复杂度；
包括计算出编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gh、Gv、G45、G135，计算出子编码单元在水平方向、垂直方向、45°方向、135°方向的全局边缘复杂度Gsh、Gsv、Gs45、Gs135，计算出编码子模块在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度G′h(k)、G′v(k)；
步骤2，在编码单元层，判断各方向的全局边缘复杂度与阈值TH的关系，确定编码单元是否需要划分；
步骤3，在预测单元层，判断编码单元在水平方向、垂直方向的全局边缘复杂度关系，确定选取的候选模式数；
编码单元在水平方向的全局边缘复杂度Gh，
编码单元在垂直方向的全局边缘复杂度Gv，
编码单元在45°方向的全局边缘复杂度G45，
编码单元在135°方向的全局边缘复杂度G135，
编码子模块在水平方向的全局边缘复杂度G′h(k)，
编码子模块在垂直方向的全局边缘复杂度G′v(k)，
其中，N表示当前编码块尺寸大小，Y(i,j)表示在像素(i,j)处的亮度值，Ym表示平均亮度，k表示取第k个编码子模块。
2.根据权利要求1所述的一种HEVC帧内预测方法，其特征在于：步骤2的具体过程为，
如果Gh小于等于TH，并且Gsh和G′h(k)均小于等于TH/4，则编码单元用水平方向来表示，编码单元不划分；
如果Gv小于等于TH，并且Gsv和G′v(k)均小于等于TH/4，则编码单元用垂直方向来表示，编码单元不划分；
如果G45小于等于TH，并且Gs45小于等于TH/4，则编码单元用45°方向来表示，编码单元不划分；
如果G135小于等于TH，并且Gs135小于等于TH/4，则编码单元用135°方向来表示，编码单元不划分；
如果Gh、Gv、G45、G135均大于TH，则对编码单元进行划分；
其他情况正常编码。
3.根据权利要求1所述的一种HEVC帧内预测方法，其特征在于：步骤3的具体过程为，
如果Gh小于Gv，那么只选取水平模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算；如果Gh大于Gv，那么只选取垂直模式作为候选模式，加入最可能模式，最终进行率失真计算。
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