CN105898300B - 一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法 - Google Patents

一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，所述基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法采用4×4变换系数矩阵CG的第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和的奇偶性表示最后一个非零变换系数的符号，得到系数符号；得到的系数符号与实际系数符号不相符，则根据率失真优化量化RDOQ准则选择两个变换系数的幅值进行调整。本发明可省略CG内最后一个非零变换系数符号的编码，减少编码符号数据的比特数，并且可与SDH技术相兼容，一定程度上减轻SDH技术在有损编码中对视频编码质量的损耗，有效提高编码性能，且复杂度很低，适用于各种视频分辨率。

Description

一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法
技术领域
本发明属于视频解码技术领域，尤其涉及一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法。
背景技术
随着视频空间分辨率从标清(640×480,720×576)向高清(720P，1080P)全面升级，甚至一些视频应用领域出现了4K×2K、8K×4K的数字视频格式，视频时间分辨率，即帧率，也在由30帧/秒向60帧/秒转换，视频应用越来越受到传统视频编解码技术的限制。为了适应技术发展趋势及需求变化，视频编码联合工作组JCT-VC于2013年正式发布了新一代高效视频编码标准HEVC/H.265，相比上一代视频压缩标准H.264/AVC，视频编码率减少50％以上。在HEVC/H.265中，视频序列经过帧内预测、帧间预测、环路滤波、变换和量化后，最终经熵编码把一系列用来表示视频序列的元素符号转变为一个用来传输或存储的压缩码流。量化后变换系数的熵编码在整个熵编码中占有举足轻重的地位，以4×4大小的变换系数矩阵CG为单位，其编码内容包括CG内非零变换系数的位置、符号、幅值绝对值是否大于1、幅值绝对值是否大于2和幅值剩余部分等。其中，非零变换系数符号位编码在视频压缩码流中占据了很大比例(15％～20％)，因此非零变换系数符号位隐藏技术的使用具有十分重要的作用。目前已知的在HEVC/H.265中使用的非零变换系数符号位隐藏技术是SDH(Sign DataHiding)技术。SDH技术为：在当前编码的CG中第一个非零变换系数和最后一个非零变换系数之间的间隔大于等于4时，首先计算CG内所有非零变换系数幅值绝对值之和；然后对和值进行奇偶判断，若和值为偶数，则第一个非零变换系数的符号被判为正，否则为负。使用SDH技术，解码端直接根据此原理判断CG内第一个非零变换系数的符号，因此编码端可以省略它的熵编码。然而，若SDH的最终结果与CG中第一个非零变换系数的真实符号不一致，则在编码过程中采用率失真优化量化RDOQ的方法，通过调整系数幅值，来使SDH判决结果与CG中第一个非零变换系数的真实符号一致。
SDH技术是一种有损编码技术，减小了视频编码码率，同时也损耗了视频编码质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，旨在解决SDH技术存在的减小了视频编码码率，同时也损耗视频编码质量的问题。
本发明是这样实现的，一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，所述基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法采用4×4变换系数矩阵CG的第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和的奇偶性表示最后一个非零变换系数的符号，得到系数符号；得到的系数符号与实际系数符号不相符，则根据率失真优化量化RDOQ准则选择两个变换系数的幅值进行调整。
进一步，所述基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法包括以下步骤：
步骤一、根据扫描顺序确定CG的第一个和最后一个非零变换系数的位置以及此CG内非零变换系数的个数，判断此CG是否满足使用该改进符号隐藏技术的条件，若满足条件则进行下一步；
步骤二、计算第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和，比较和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号是否相符，若不相符则进行下一步调整两次系数幅值，否则跳到步骤五；
步骤三、第一次调整系数幅值，若此CG经过SDH技术处理，且SDH技术改变的变换系数是第一个或最后一个非零变换系数，在满足一定条件下把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小；否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在第一个非零变换系数和它之前的系数，最后一个非零变换系数和它之后的系数范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第一次幅值调整；
步骤四、第二次调整系数幅值，若SDH技术改变的变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，则把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在该范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第二次幅值调整；
步骤五、在编码端变换系数熵编码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不编码最后一个非零变换系数的符号位；
步骤六、在解码端变换系数熵解码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不解码最后一个非零变换系数的符号位，用与步骤二相同原理得到此符号位。
进一步，所述步骤一的使用条件为该CG内非零变换系数的个数大于或等于阈值，且分辨率大于1920×1080时阈值为15，否则阈值为14。
进一步，所述步骤二的和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号的对应关系为：和为奇数对应系数符号为负，和为偶数对应系数符号为正。
进一步，所述步骤四中根据RDOQ选择调整系数时，分别计算第一个非零变换系数到最后一个非零变换系数之间每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，得到在此范围内率失真代价最小的系数和调整方向来进行调节。
本发明提供的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，与SDH技术相兼容，可额外省略CG内最后一个非零变换系数的符号位编码，增加CG内隐藏符号位的个数，进一步减少视频编码码率。SDH技术作为一种有损编码方法，在减少编码码率的同时也因改变变换系数幅值而造成了不小的视频质量损耗，本发明可很大程度上恢复SDH技术改变的变换系数幅值，从而减少视频质量损耗，提升视频编码性能。本发明使用RDOQ选择要调整的系数，而RDOQ在之前的量化部分已经进行过，因此不需增加额外的运算量，编码复杂度低。本发明适用于多种分辨率，对多种分辨率视频的编码效果都有较大改进。因此，本发明是一种编码码率低、视频质量损耗小、编码性能高、计算复杂度低且适用于多种视频分辨率的变换系数符号位隐藏技术。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示：本发明实施例的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，量化后的变换系数分成多个4×4变换系数矩阵CG，该基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏技术包括以下步骤：
S101：根据扫描顺序确定CG的第一个和最后一个非零变换系数的位置以及此CG内非零变换系数的个数，判断此CG是否满足使用该改进符号隐藏技术的条件，若满足条件则进行下一步，否则此CG不使用该技术；
S102：计算第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和，比较和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号是否相符，若不相符则进行下一步调整两次系数幅值，否则直接跳到S105；
S103：第一次调整系数幅值，若此CG已经过SDH技术处理，且SDH技术改变的变换系数是第一个或最后一个非零变换系数，在满足一定条件下把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在第一个非零变换系数和它之前的系数，最后一个非零变换系数和它之后的系数范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第一次幅值调整；
S104：第二次调整系数幅值，若SDH技术改变的变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，则把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在该范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第二次幅值调整；
S105：在编码端变换系数熵编码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不编码最后一个非零变换系数的符号位；
S106：在解码端变换系数熵解码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不解码最后一个非零变换系数的符号位，用与S102相同原理得到此符号位。
所述CG是否使用改进符号隐藏技术由该CG内非零变换系数的个数决定，若非零变换系数个数大于等于阈值，则使用改进符号隐藏技术，否则不使用。该阈值与视频序列的分辨率有关，分辨率大于1920×1080时阈值为15，否则阈值为14。
所述CG内第一个非零变换系数和最后一个非零变换系数之和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号的对应关系为：和为奇数对应系数符号为负，和为偶数对应系数符号为正。
所述第一次调整幅值，可把幅值经SDH调整了的变换系数恢复到SDH处理前的大小，需满足以下条件之一：
(1)该系数在SDH调整前是第一个非零变换系数；
(2)该系数在SDH调整前是最后一个非零变换系数，且SDH调整后幅值没有变为零；
(3)该系数在SDH调整前是原第一个非零变换系数前的零系数，且原第一个非零变换系数是偶数；
(4)该系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数(即零系数SDH调整后的值)同号，原最后一个非零变换系数是偶数；
(5)该系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数(即零系数SDH调整后的值)异号，原最后一个非零变换系数是奇数。
所述第一次调整幅值，根据RDOQ选择调整系数的选择范围一定包括第一个非零变换系数和最后一个非零变换系数，该范围是否还包括第一个非零变换系数前的系数和最后一个非零变换系数后的系数，与视频序列的分辨率、第一个非零变换系数的奇偶性和该CG在变换块TB内的位置有关。
所述第一次调整幅值，调整系数的选择范围包括第一个非零变换系数前的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且第一个非零变换系数是偶数，且其中只有量化前符号与第一个非零变换系数符号同号的零系数才可被选择；调整系数的选择范围包括最后一个非零变换系数后的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且该CG不是TB内最后一个非零CG，且其中只有当最后一个非零变换系数是正奇数或负偶数时量化前为负数的零系数，以及当最后一个非零变换系数是正偶数或负奇数时量化前为非负数的零系数才可被选择。
所述第一次调整幅值，根据RDOQ选择调整系数时，分别计算选择范围内每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，从而得到率失真代价最小的系数和幅值绝对值调整方向来进行调节。
所述第一个和最后一个非零变换系数都不可以调整为零。
所述第二次调整幅值，可把幅值经SDH调整了的变换系数恢复到SDH处理前的大小，其条件为：该变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，但不包括第一个和最后一个非零变换系数。
所述第二次调整幅值，根据RDOQ选择调整系数时，分别计算第一个非零变换系数到最后一个非零变换系数之间每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，从而得到在此范围内率失真代价最小的系数和调整方向来进行调节。
下面结合具体实施例对对本发明应用原理作详细的描述：
量化后的变换系数以4×4变换系数矩阵CG为单位，根据扫描顺序确定CG内第一个和最后一个非零变换系数的位置以及此CG内非零变换系数的个数，若非零变换系数个数大于等于阈值，则该CG使用改进符号隐藏技术，否则不使用。该阈值与视频序列的分辨率有关，分辨率大于1920×1080时阈值为15，否则阈值为14。
计算第一个和最后一个非零变换系数幅值之和，比较和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号是否相符，即和为偶数对应系数符号为正，和为奇数对应系数符号为负，若对应关系不相符则要调整两次系数幅值，否则不必调整。
第一次调整系数幅值，若此CG已经过SDH技术处理，且SDH技术改变的变换系数是第一个或最后一个非零变换系数，在满足一定条件下把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，第一次调整系数幅值完成。要满足的条件为以下任意一个即可：
(1)该系数在SDH调整前是第一个非零变换系数；
(2)该系数在SDH调整前是最后一个非零变换系数，且SDH调整后幅值没有变为零；
(3)该系数在SDH调整前是原第一个非零变换系数前的零系数，且原第一个非零变换系数是偶数；
(4)该系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数(即零系数SDH调整后的值)同号，原最后一个非零变换系数是偶数；
(5)该系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数(即零系数SDH调整后的值)异号，原最后一个非零变换系数是奇数。
若以上条件都不满足，则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在一定系数范围内选择一个系数和调整方向调整幅值。选择范围一定包括第一个非零变换系数和最后一个非零变换系数，还包括第一个非零变换系数前的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且第一个非零变换系数是偶数，且其中只有量化前符号与第一个非零变换系数符号同号的零系数才可被选择；调整系数的选择范围包括最后一个非零变换系数后的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且该CG不是TB内最后一个非零CG，且其中只有当最后一个非零变换系数是正奇数或负偶数时量化前为负数的零系数，以及当最后一个非零变换系数是正偶数或负奇数时量化前为非负数的零系数才可被选择。
根据RDOQ选择调整系数时，分别计算选择范围内每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，从而得到率失真代价最小的系数和幅值绝对值调整方向来进行调节，但要保证第一个和最后一个非零变换系数都不可以调整为零，第一次调整系数幅值完成。
第二次调整系数幅值，若SDH技术改变的变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，则把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，第二次调整系数幅值完成；否则按扫描顺序，根据RDOQ选择调整系数，分别计算第一个非零变换系数到最后一个非零变换系数之间每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，从而得到在此范围内率失真代价最小的系数和调整方向来进行调节，第二次调整系数幅值完成。
在编码端变换系数熵编码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不编码最后一个非零变换系数的符号位。
在解码端变换系数熵解码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不解码最后一个非零变换系数的符号位，根据此符号位与第一个和最后一个非零变换系数之和的奇偶性的对应关系得到此符号位。
通过以上步骤最终节省最后一个非零变换系数符号位的编码。
下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。
为说明本发明可整体提升HEVC/H.265的编码性能，且适用于多种分辨率的视频序列，在HM16.0标准模型中实现本算法，按照HEVC/H.265视频分辨率分类标准，对多组多分辨率HEVC/H.265标准视频测试序列进行实验，各类视频序列的具体实验数据由表1～5给出，总实验数据由表6给出。
表1 Class A视频序列测试结果
表2 Class B视频序列测试结果
表3 Class C视频序列测试结果
表4 Class D视频序列测试结果
表5 Class E视频序列测试结果
表6 总视频序列测试结果
BD-rate和BD-PSNR表征了视频编码性能的变化，BD-rate小于零、BD-PSNR大于零表示视频编码性能有所提升。表1～5表明，对于不同分辨率的视频序列，该算法都具有提升视频编码性能的作用，即该算法适用于多种分辨率的视频。表6表明，该算法在节省编码码率的同时只造成很小质量损耗，因而整体上提升了视频编码性能，且提升性能较为可观。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法采用4×4变换系数矩阵CG的第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和的奇偶性表示最后一个非零变换系数的符号，得到系数符号；得到的系数符号与实际系数符号不相符，则根据率失真优化量化RDOQ准则选择两个变换系数的幅值进行调整；在编码端变换系数熵编码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不编码最后一个非零变换系数的符号位；
所述基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法包括以下步骤：
步骤一、根据扫描顺序确定CG的第一个和最后一个非零变换系数的位置以及此CG内非零变换系数的个数，判断此CG是否满足使用该改进符号隐藏技术的条件，若满足条件则进行下一步；
步骤二、计算第一个非零变换系数与最后一个非零变换系数幅值之和，比较和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号是否相符，若不相符则进行下一步调整两次系数幅值，否则跳到步骤五；
步骤三、第一次调整系数幅值，若此CG经过SDH技术处理，且SDH技术改变的变换系数是第一个或最后一个非零变换系数，在满足一定条件下把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小；否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在第一个非零变换系数和它之前的系数，最后一个非零变换系数和它之后的系数范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第一次幅值调整；
步骤四、第二次调整系数幅值，若SDH技术改变的变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，则把该系数幅值恢复到SDH处理前的大小，否则按扫描顺序，根据RDOQ准则，在该范围内选择一个系数和调整方向调整幅值，完成第二次幅值调整；
步骤五、在编码端变换系数熵编码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不编码最后一个非零变换系数的符号位；
步骤六、在解码端变换系数熵解码处，对于满足改进符号隐藏技术使用条件的CG，不解码最后一个非零变换系数的符号位，用与步骤二相同原理得到此符号位。
2.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤一中CG是否使用改进符号隐藏技术由该CG内非零变换系数的个数决定，若非零变换系数个数大于等于阈值，则使用改进符号隐藏技术，否则不使用；该阈值与视频序列的分辨率有关，分辨率大于1920×1080时阈值为15，否则阈值为14。
3.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤二的和的奇偶性与最后一个非零变换系数的符号的对应关系为：和为奇数对应系数符号为负，和为偶数对应系数符号为正。
4.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤三把幅值经SDH调整了的变换系数恢复到SDH处理前的大小，需满足以下条件之一：
(1)系数在SDH调整前是第一个非零变换系数；
(2)系数在SDH调整前是最后一个非零变换系数，且SDH调整后幅值没有变为零；
(3)系数在SDH调整前是原第一个非零变换系数前的零系数，且原第一个非零变换系数是偶数；
(4)系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数同号，原最后一个非零变换系数是偶数；
(5)系数在SDH调整前是原最后一个非零变换系数后的零系数，且原最后一个非零变换系数与当前最后一个非零变换系数异号，原最后一个非零变换系数是奇数。
5.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤三中根据RDOQ选择调整系数的选择范围一定包括第一个非零变换系数和最后一个非零变换系数，该范围是否还包括第一个非零变换系数前的系数和最后一个非零变换系数后的系数，与视频序列的分辨率、第一个非零变换系数的奇偶性及该CG在变换块TB内的位置有关；
调整系数的选择范围包括第一个非零变换系数前的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且第一个非零变换系数是偶数，且其中只有量化前符号与第一个非零变换系数符号同号的零系数才可被选择；调整系数的选择范围包括最后一个非零变换系数后的系数的条件是：视频分辨率小于等于832×480且该CG不是TB内最后一个非零CG，且其中只有当最后一个非零变换系数是正奇数或负偶数时量化前为负数的零系数，以及当最后一个非零变换系数是正偶数或负奇数时量化前为非负数的零系数才可被选择。
6.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤三中根据RDOQ选择调整系数时，分别计算选择范围内每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，得到率失真代价最小的系数和幅值绝对值调整方向来进行调节，但第一个和最后一个非零变换系数都不可以调整为零。
7.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤四中把幅值经SDH调整了的变换系数恢复到SDH处理前的大小，其条件为变换系数在第一个和最后一个非零变换系数之间，但不是第一个和最后一个非零变换系数。
8.如权利要求1所述的基于恢复变换系数的改进变换系数符号位隐藏方法，其特征在于，所述步骤四中根据RDOQ选择调整系数时，分别计算第一个非零变换系数到最后一个非零变换系数之间每一个系数幅值绝对值加1和减1的率失真代价，得到在此范围内率失真代价最小的系数和调整方向来进行调节。
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