CN106170089B - 基于h.265的多路编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于H.265的多路编码系统及方法，该系统包括主编码器模块、从编码器模块，主编码器模块，与多个从编码器模块连接，将编码信息共享给从编码器模块，从编码器模块，利用共享信息，对编码过程加速，主编码器模块和从编码器模块均对同一个输入视频数据进行压缩编码，采用不同的码率控制参数，同时输出不同质量的码流。本发明复用了一路主编码器的最优编码模式，加速了多路从编码器的编码过程，实现了在不降低编码质量的前提下，快速进行多路视频编码；本发明对1920×1080分辨率的高清视频进行多路编码，在28核的Intel(R)Xeon(R)CPU E5‑2697v3@2.60GHz工作站上运行，比相同编码参数配置情况下的多次编码节省了44.68％的编码时间，同时性能没有下降。

Description

基于H.265的多路编码方法
技术领域
本发明涉及一种视频编码技术，特别是涉及一种基于H.265(H.265是ITU-T VCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准)的多路编码系统及方法。
背景技术
对于互联网视频应用而言，网络带宽状况复杂多变，单一码率的视频压缩码流难以适应实际的网络环境。对于网络带宽紧张的用户，视频码率不宜太高，否则码流不能及时传输到解码器，会出现解码端的数据下溢，造成视频卡顿，严重影响观看体验；而对于网络带宽宽裕的用户，希望获取较高码率的视频，否则会带来带宽资源的浪费以及视频质量不必要的降级。而同一个终端，其网络环境也是时刻变化的。为了播放时根据当前的带宽情况灵活的切换码流以达到最优的观看体验，需要对同一个视频进行多次编码，生成不同码率的码流。对同一个视频进行多次编码非常耗时，而对同一个输入视频数据进行多路编码，同时输出不同码率的码流可以大大提高编码效率。对多路编码系统的研究和实现具有重要的实际价值。
最新的视频编码标准HEVC/H.265提供了比上一代标准H.264/AVC更优异的编码性能，可以在相同编码质量的情况下节省50％的码率。在H.265中，将宏块的大小从H.264 的16×16扩展到了64×64，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元、预测单元和变换单元。为了得到最好编码性能，所有CU(控制单元)将被递归遍历来找出最佳编码模式，这个过程中率失真优化技术将被采用来得到最佳的性能，但是这将代来极大的计算复杂度。尤其在对同一个视频进行多次编码或多路编码时，其复杂度非常高。
多路编码时各个编码模块之间存在着很强的相关性，比如同一个CTU(采集传输终端)的最优划分深度存在这样的规律：两个编码模块对同一个CTU进行编码，量化参数较大的编码器会选择较小的划分深度，而量化参数较小的编码器划分深度更大。利用这个规律，当得到一路编码结果之后，可以根据对另一路编码的最优深度进行预测。多路编码过程中存在大量的冗余，对这些冗余的去除是提高多路编码效率的关键。
D.Schroeder等人在2015年在IEEE国际会议The International Conference onImage Processing会议上发表的“Block structure reuse for multi-rate highefficiency video coding”一文中根据对同一个视频数据进行不同码率编码时，各个编码器对块结构决策结果的关系进行了研究，发现随着量化参数的提高，趋于大块划分模式；相反，量化参数较小时，块划分会变小。利用这个发现，论文提出并实现了一种提前终止RDO(远程数据对象) 过程的多路编码加速方法：先使用一个参考编码器进行编码，得到最优的块划分模式，依赖于这个结果，其他编码器根据各自的量化参数与参考编码器的关系，减少RDO检查次数，提前终止RDO过程。该论文提出的方法仅仅利用了不同编码器之间的块结构的关系，没有充分去除多路编码的计算冗余，而且该方法没有考虑视频内容，鲁棒性不够高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于H.265的多路编码系统及方法，其复用了一路主编码器模块的最优编码模式，加速了多路从编码器模块的编码过程，实现了在不降低编码质量的前提下，快速进行多路视频编码。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于H.265的多路编码系统，其特征在于，其包括：
主编码器模块，与多个从编码器模块连接，将编码信息共享给从编码器模块；
从编码器模块，利用共享信息，对编码过程加速；
主编码器模块和从编码器模块均对同一个输入视频数据进行压缩编码，采用不同的码率控制参数，同时输出不同质量的码流。
优选地，所述主编码器模块采用的是标准的H.265编码器，每编码完一个CTU后，将最优模式信息共享给从编码器模块，共享的信息包括块深度和预测模式。
优选地，所述系统中包括多个从编码器模块，典型数量是三个从编码器模块，从编码器模块根据该路码流的码率控制参数，以及主编码器模块共享的编码信息对率失真优化进行简化，从而达到加速编码的过程。
为了让从编码器模块简化率失真优化，本发明还提供了一种基于H.265的多路编码方法，其包括以下步骤：
步骤一：读取一个CTU，准备其进行率失真优化，决定最优编码模式；初始化当前CU的深度为0，初始化待检测预测模式为{intra，inter，merge，skip}；
步骤二：获取主编码器模块共享的编码该CTU的最优模式，包括编码单元CU的深度和预测模式；
步骤三：如果从编码器模块的量化参数QPs大于主编码器模块量化参数QPm，转步骤四，否则转步骤五；
步骤四：比较从编码器模块的CU深度Ds和主编码器模块的CU深度Dm；如果Dm小于Ds，结束RDO过程，从检查过的所有模式中选择最优模式，进行编码，转步骤一；如果Dm大于Ds，如果对应位置主编码器模块的深度均值满足公式(1)即大于等于设置的阈值Ds+f(QPs-QPm)时，直接转步骤六，小于该阈值时在当前深度检查待检测的预测模式集合并且转步骤六，f(QPs-QPm)是关于QPs与QPm差值的函数；如果Dm等于Ds，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
步骤五：比较Ds和Dm，如果Dm大于Ds则直接将当前CU划分成四个子块， Ds＝Ds+1，转步骤三；如果Dm小于Ds时，如果Ds等于Dm+1，转步骤六，对初始的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；如果Ds等于Dm，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
步骤六：如果当前CU的深度等于3则结束RDO过程，在检查过的所有模式中选择最优模式进行编码，转步骤一；否则将当前CU划分成四个子块，Ds＝Ds+1，转步骤三。
优选地，所述步骤四中，当Dm大于Ds时，设定的阈值是一个关于QPm与QPs的差值以及Ds相关的线性函数。
优选地，所述步骤四及步骤五中，对初始预测模式集合进行剪枝操作是一个基于朴素贝叶斯分类器的方法，该分类器将Ds、QPm与QPs的差值以及主编码器模块的预测模式PMm作为输入特征，输出从编码器模块的是最优的可能性较大的预测模式，去除是最优的可能性较小的预测模式，从而减少了RDO检查次数，达到加速目的；朴素贝叶斯分类器在使用之前有训练阶段，训练阶段中，计算最优编码模式中每种预测模式的出现概率以及已知预测模式的情况下每种输入特征的条件概率。
附图说明
图1为本发明的基于H.265的多路编码系统图；
图2为本发明的从编码器模块的RDO加速方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本实施例提供一种基于H.265的多路编码方法及系统，其包括：
主编码器模块，与多个从编码器模块连接，将编码信息共享给从编码器模块；
从编码器模块，利用共享信息，对编码过程加速；
主编码器模块和从编码器模块均对同一个输入视频数据进行压缩编码，采用不同的码率控制参数，同时输出不同质量的码流；
该系统含有一个主编码器模块、多个从编码器模块，从编码器模块的数量可以根据输出路数要求和处理平台的性能灵活改变。
主编码器模块采用标准的H.265编码器，对输入视频数据编码时的RDO过程不进行简化。主编码器模块对一个CTU编码完成后，将最优编码模式信息包括深度以及预测模式共享给从编码器模块。从编码器模块在标准H.265编码器的基础上，根据量化参数以及主编码器模块共享的信息，对RDO过程进行简化，加速编码过程。
如图2所示，本发明还提供了一种基于H.265的多路编码方法，按照如下步骤进行：
步骤一：读取一个CTU，准备其进行率失真优化，决定最优编码模式；初始化当前CU的深度为0，初始化待检测预测模式为{intra，inter，merge，skip}；
步骤二：获取主编码器模块共享的编码该CTU的最优模式，包括编码单元CU的深度和预测模式；
步骤三：如果从编码器模块的量化参数QPs大于主编码器模块量化参数QPm，转步骤四，否则转步骤五；
步骤四：比较从编码器模块的CU深度Ds和主编码器模块的CU深度Dm；如果Dm小于Ds，结束RDO过程，从检查过的所有模式中选择最优模式，进行编码，转步骤一；如果Dm大于Ds，如果对应位置主编码器模块的深度均值满足公式(1)，直接转步骤六，小于该阈值时在当前深度检查待检测的预测模式集合并且转步骤六；如果Dm等于Ds，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
Figure GDA0002264117110000051
式(1)中N代表从编码器模块编码CU处，主编码器模块对应的CU块数量，DA,i是该区域内主编码器模块各个CU的深度。f(QPs-QPm)是关于QPs与QPm差值的函数，具体的：
f(QPs-QPm)＝1.25+σ×(QPs-QPm) (2)
式(2)中的σ可以根据实验得到一个经验值，实际运用时可以根据视频内容进行调整。
步骤五：比较Ds和Dm，如果Dm大于Ds则直接将当前CU划分成四个子块， Ds＝Ds+1，转步骤三；如果Dm小于Ds时，如果Ds等于Dm+1，转步骤六，对初始的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；如果Ds等于Dm，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
步骤六：如果当前CU的深度等于3则结束RDO过程，在检查过的所有模式中选择最优模式进行编码，转步骤一；否则将当前CU划分成四个子块，Ds＝Ds+1，转步骤三。
上述步骤四和步骤五中所述的待检测预测模式剪枝方法是基于朴素贝叶斯分类器的。在已知主编码器模块的最优预测模式的条件下，从编码器模块的选择哪种预测模式作为最优的预测模式的概率有很强的规律性，具体地：对于内容性质相差很大的视频数据，不同码率设置的编码器RDO之后选择的最优预测模式呈现出了很强的相关性，该相关性不随着视频内容的变化而减弱。基于这个性质，该方法预先对贝叶斯分类器进行训练，计算最优编码模式中每种预测模式的出现概率以及已知预测模式的情况下每种输入特征的条件概率。在贝叶斯分类器的应用阶段，将Ds，QPm与QPs的差值以及主编码器模块的预测模式PMm作为输入特征，输出从编码器模块的是最优的可能性较大的预测模式，去除是最优的可能性较小的预测模式，从而减少了RDO检查次数，达到加速目的。
本发明对1920×1080分辨率的高清视频进行多路编码，在28核的Intel(R)Xeon(R) CPU E5-2697 v3@2.60GHz工作站上运行，比相同编码参数配置情况下的多次编码节省了44.68％的编码时间，同时性能没有下降。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于H.265的多路编码方法，其特征在于：采用主编码器模块与多个从编码器模块连接，将编码信息共享给从编码器模块；从编码器模块利用共享信息，对编码过程加速；主编码器模块和从编码器模块均对同一个输入视频数据进行压缩编码，采用不同的码率控制参数，同时输出不同质量的码流；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：读取一个CTU，准备其进行率失真优化，决定最优编码模式；初始化当前CU的深度为0，初始化待检测预测模式为{intra，inter，merge，skip}；
步骤二：获取主编码器模块共享的编码该CTU的最优模式，包括编码单元CU的深度和预测模式；
步骤三：如果从编码器模块的量化参数QPs大于主编码器模块量化参数QPm，转步骤四，否则转步骤五；
步骤四：比较从编码器模块的CU深度Ds和主编码器模块的CU深度Dm；如果Dm小于Ds，结束RDO过程，从检查过的所有模式中选择最优模式，进行编码，转步骤一；如果Dm大于Ds，如果对应位置主编码器模块的深度均值满足公式(1)即大于等于设置的阈值Ds+f(QPs-QPm)时，直接转步骤六，小于该阈值时在当前深度检查待检测的预测模式集合并且转步骤六；如果Dm等于Ds，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
Figure FDA0002264117100000011
式(1)中N代表从编码器模块编码CU处，主编码器模块对应的CU块数量，DA,i是该区域内主编码器模块各个CU的深度；f(QPs-QPm)是关于QPs与QPm差值的函数，具体的：
f(QPs-QPm)＝1.25+σ×(QPs-QPm) (2)
式(2)中的σ根据实验得到一个经验值；
步骤五：比较Ds和Dm，如果Dm大于Ds则直接将当前CU划分成四个子块，Ds＝Ds+1，转步骤三；如果Dm小于Ds时，如果Ds等于Dm+1，转步骤六，对初始的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；如果Ds等于Dm，对初始的预测模式集合进行剪枝操作，对剪枝后的预测模式集进行率失真检查，转步骤六；
步骤六：如果当前CU的深度等于3则结束RDO过程，在检查过的所有模式中选择最优模式进行编码，转步骤一；否则将当前CU划分成四个子块，Ds＝Ds+1，转步骤三；
所述步骤四及步骤五中，对初始预测模式集合进行剪枝操作是一个基于朴素贝叶斯分类器的方法，该分类器将Ds、QPm与QPs的差值以及主编码器模块的预测模式PMm作为输入特征，输出从编码器模块的是最优的可能性较大的预测模式，去除是最优的可能性较小的预测模式，从而减少了RDO检查次数，达到加速目的；朴素贝叶斯分类器在使用之前有训练阶段，训练阶段中，计算最优编码模式中每种预测模式的出现概率以及已知预测模式的情况下每种输入特征的条件概率。
2.根据权利要求1所述的基于H.265的多路编码方法，其特征在于，所述主编码器模块采用的是标准的H.265编码器，每编码完一个CTU后，将最优模式信息共享给从编码器模块。
3.根据权利要求1所述的基于H.265的多路编码方法，其特征在于，所述从编码器模块数量是三个，从编码器模块根据该路码流的码率控制参数，以及主编码器模块共享的编码信息对率失真优化进行简化，从而达到加速编码的过程。
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