CN107046648B - 一种快速实现嵌入hevc编码单元的视频降噪的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法，所述方法包括：根据前一帧图像中各编码单元的复杂度分布情况可确定当前帧图像噪声方差阈值，通过当前帧图像噪声方差阈值估算出当前帧图像的噪声方差，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前帧图像的各种变换单元的滤波系数，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前变换单元的滤波权重，最后计算出当前变换单元的滤波系数。视频降噪的效果主要是由该模块的滤波系数确定的。通过本发明所提供的装置及方法，可在资源受限的系统上，实现低复杂度、低运算量、低延时的视频降噪，从而提升视频编码的主客观质量。本发明方法及装置简单，在多媒体视频编码技术领域具有广泛的应用前景。

Description

一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法
技术领域
本发明涉及多媒体视频编码技术领域，特别是涉及一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法。
背景技术
HEVC是目前最新的视频压缩标准，该标准将每帧图像划分成若干个编码单元依次进行编码，识别和利用每一帧中的空间冗余，通过空间预测技术对像素块进行空域编码，利用连续帧像素块之间存在的时间联系，通过运动估计ME(motion estimate)和运动补偿MC(motion compensation)来实现时域编码，识别和利用每一帧中剩余的空间冗余，通过量化、变换和熵编码对原始像素块与预测像素块之间的变化进行编码，编码器的整个过程也具有部分降噪的功能。但是对于染有较多噪声的视频，HEVC编码器的效率就很低。为了用有限的资源来提升编码器对于噪声视频的处理质量，嵌入编码单元的降噪处理成为一种必需的技术。
对于一帧图像，要有效的降低其噪声，首先需要准确地找到噪声的方差，由于先前嵌入编码系统的降噪算法不是假设噪声方差，就是花费大量的运算和存储来进行估算，因此对于SoC这类资源、功耗等受限制的运行环境来说，对算法的复杂度、运算量、低延时性都有较高的要求，需要更加高效的计算方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法，用于解决现有技术中嵌入HEVC编码单元的视频降噪方法的算法复杂、运算量较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，包括：帧级噪声方差估计模块，用于根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；帧级滤波系数计算模块，用于根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；变换单元滤波系数确定模块，用于根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的一种优选方案，所述帧级噪声方差估计模块中，当前帧图像的复杂度信息从运动估计模块的最优结果里获得。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的一种优选方案，所述帧级噪声方差估计模块中，统计出当前帧图像中小于当前帧图像噪声方差阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)，其中，Complexcu[i]为当前帧图像的编码单位的复杂度。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的一种优选方案，所述帧级噪声方差估计模块中，建立帧级噪声方差平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的帧级噪声方差。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的一种优选方案，所述变换单元滤波系数确定模块中，当前变换单元对应的权重值W与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2的区间范围为(TL，TH)，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：
W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))
其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的一种优选方案，所述变换单元滤波系数确定模块中，滤波权重与当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值成比例关系。
本发明还提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法，包括步骤：步骤1)，根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；步骤2)，根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；步骤3)，根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法的一种优选方案，步骤1)包括：步骤1-1)，根据系统性能及前一帧图像各编码单元的复杂度信息，得到当前帧图像噪声方差阈值Tσ2；步骤1-2)，计算当前帧图像的编码单位的复杂度Complexcu[i]，该复杂度为从运动估计模块的最优结果里获得；步骤1-3)，统计出当前帧图像中小于该阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)；步骤1-4)，建立帧级噪声方差σ2平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差σ2的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的噪声方差σ2。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法的一种优选方案，步骤2)中，根据当前帧图像的噪声σ2以及各个变换单元的典型滤波系数，获得当前帧图像的各个变换单元滤波系数CoefMxM[i,j]。
作为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法的一种优选方案，步骤3)包括：步骤3-1)，计算出当前变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin，该最小值MADmin为从编码器的运动估计模块直接获得；步骤3-2)，计算出当前变换单元对应的权重值W，其与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2的区间范围为合理的区间(TL，TH)，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得；步骤3-3)，根据当前帧图像的滤波系数CoefMxM[i,j]，和当前变换单元的的滤波权重值W，获得当前编码单元的滤波系数。
如上所述，本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法，具有以下有益效果：本发明根据前一帧图像中各编码单元的复杂度分布情况可确定当前帧图像噪声方差阈值，通过前帧图像噪声方差阈值估算出当前帧图像的噪声方差，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前帧图像的各种变换单元的滤波系数，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前变换单元的滤波权重，最后计算出当前变换单元的滤波系数。视频降噪的效果主要是由该模块的滤波系数确定的。通过本发明所提供的装置及方法，可在资源受限的系统上，实现低复杂度、低运算量、低延时的视频降噪，从而提升视频编码的主客观质量。本发明方法及装置简单，在多媒体视频编码技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置的结构示意图。
图2显示为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法的流程示意图。
图3显示为本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法中，W和MADmin/σ2具体的线性关系图。
元件标号说明
101 帧级噪声方差估计模块
102 帧级滤波系数计算模块
103 变换单元滤波系数确定模块
S11～S19 步骤101)～步骤304)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1及图3所示，本实施例提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，所述装置包括：
帧级噪声方差估计模块101，用于根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；
帧级滤波系数计算模块102，用于根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；
变换单元滤波系数确定模块103，用于根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
作为示例，所述帧级噪声方差估计模块101中，当前帧图像的复杂度信息从运动估计模块的最优结果里获得。
作为示例，所述帧级噪声方差估计模块101中，统计出当前帧图像中小于当前帧图像噪声方差阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)，其中，Complexcu[i]为当前帧图像的编码单位的复杂度。
作为示例，所述帧级噪声方差估计模块101中，建立帧级噪声方差平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的帧级噪声方差。
作为示例，所述变换单元滤波系数确定模块103中，当前变换单元对应的权重值W与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2的区间范围为(TL，TH)，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：
W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))
其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得，W和MADmin/σ2具体的线性关系如图3所示。
作为示例，所述变换单元滤波系数确定模块103中，滤波权重与当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值成比例关系。
如图2～图3所示，本实施例还提供一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法，所述方法包括步骤：步骤1)，根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；步骤2)，根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；步骤3)，根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
如图2所示，具体地，本实施例的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法包括以下步骤：
步骤101)S11，根据系统性能及前一帧图像各编码单元的复杂度信息，得到当前帧图像噪声方差阈值Tσ2(所述噪声方差阈值Tσ2初始化为5)；
步骤102)S12，计算当前帧图像的编码单位的复杂度Complexcu[i]，该复杂度为从运动估计模块的最优结果里获得；
步骤103)S13，统计出当前帧图像中小于该阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)；
步骤104)S14，建立帧级噪声方差σ2平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差σ2的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的噪声方差σ2。
步骤201)S15，根据当前帧图像的噪声σ2以及各个变换单元(4x4，8x8，16x16)的典型滤波系数，获得当前帧图像的各个变换单元滤波系数CoefMxM[i,j]。
步骤301)S16，计算出当前变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin(Minimummean of absolute difference)，该最小值MADmin为从编码器的运动估计模块直接获得；
步骤302)S17，计算出当前变换单元对应的权重值W，其与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2不能无限大，也不能无限小，MADmin/σ2的区间范围为合理的区间(TL，TH)，同时为了防止降噪对编码器带来负作用，W也不能无限小，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得，W和MADmin/σ2具体的线性关系如图3所示；
步骤303)S18，根据当前帧图像的滤波系数CoefMxM[i,j]，和当前变换单元的的滤波权重值W，获得当前编码单元的滤波系数。
步骤304)S19，如果当前处理的编码单元不为当前帧最后一个编码单元，则重复步骤102)～步骤304)直至结束。
如上所述，本发明的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置及方法，具有以下有益效果：本发明根据前一帧图像中各编码单元的复杂度分布情况可确定当前帧图像噪声方差阈值，通过前帧图像噪声方差阈值估算出当前帧图像的噪声方差，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前帧图像的各种变换单元的滤波系数，根据当前帧图像的噪声方差，计算出当前变换单元的滤波权重，最后计算出当前变换单元的滤波系数。视频降噪的效果主要是由该模块的滤波系数确定的。通过本发明所提供的装置及方法，可在资源受限的系统上，实现低复杂度、低运算量、低延时的视频降噪，从而提升视频编码的主客观质量。本发明方法及装置简单，在多媒体视频编码技术领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，其特征在于，包括：
帧级噪声方差估计模块，用于根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；所述帧级噪声方差估计模块中，统计出当前帧图像中小于当前帧图像噪声方差阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)，其中，Complexcu[i]为当前帧图像的编码单位的复杂度，并建立帧级噪声方差平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的帧级噪声方差；
帧级滤波系数计算模块，用于根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；
变换单元滤波系数确定模块，用于根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
2.根据权利要求1所述的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，其特征在于：所述帧级噪声方差估计模块中，当前帧图像的复杂度信息从运动估计模块的最优结果里获得。
3.根据权利要求1所述的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，其特征在于：所述变换单元滤波系数确定模块中，当前变换单元对应的权重值W与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2的区间范围为(TL，TH)，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：
W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))
其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得。
4.根据权利要求1所述的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的装置，其特征在于：所述变换单元滤波系数确定模块中，滤波权重与当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值成比例关系。
5.一种快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1)，根据前一帧图像各编码单元的复杂度信息得到当前帧图像噪声阈值，根据当前帧图像的复杂度信息，自适应地调整当前帧图像的帧级噪声方差；
包括：步骤1-1)，根据系统性能及前一帧图像各编码单元的复杂度信息，得到当前帧图像噪声方差阈值Tσ2；
步骤1-2)，计算当前帧图像的编码单位的复杂度Complexcu[i]，该复杂度为从运动估计模块的最优结果里获得；
步骤1-3)，统计出当前帧图像中小于该阈值Tσ2的编码单元的噪声SUMσ2以及编码单元的数目NUMcu，具有噪声的编码单元的平均复杂度即为当前帧的噪声方差σ2，其由以下公式给出：当Complexcu[i]<Tσ2，SUMσ2＝SUMσ2+Complexcu[i]；NUMcu＝NUMcu+1；σ2＝DIV(SUMσ2,NUMcu)；
步骤1-4)，建立帧级噪声方差σ2平滑数组ArrayS[SMOTH_NUM]，通过连续SMOTH_NUM帧图像的噪声方差σ2的线性滤波来自适应地估算当前帧图像的噪声方差σ2；
步骤2)，根据得到的当前帧图像的帧级噪声方差，确定当前帧图像各变换单元的滤波系数；
步骤3)，根据当前帧的噪声方差和当前变换单元的运动补偿残差值得到当前变换单元的滤波权重，再根据帧级变换单元的滤波系数，得到当前变换单元的滤波系数。
6.根据权利要求5所述的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法，其特征在于：步骤2)中，根据当前帧图像的噪声σ2以及各个变换单元的典型滤波系数，获得当前帧图像的各个变换单元滤波系数CoefMxM[i,j]。
7.根据权利要求5所述的快速实现嵌入HEVC编码单元的视频降噪的方法，其特征在于，步骤3)包括：
步骤3-1)，计算出当前变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin，该最小值MADmin为从编码器的运动估计模块直接获得；
步骤3-2)，计算出当前变换单元对应的权重值W，其与该变换单元的运动补偿残差的最小值MADmin和当前帧图像的噪声σ2成比例关系，其中，MADmin/σ2的区间范围为合理的区间(TL，TH)，W的最小值记为WL，W和MADmin/σ2的线性关系由以下公式给出：
W＝((1-WL)/(TH-TL))×MADmin/σ2+(1-TH×(1-WL)/(TH-TL))
其中，TL、TH、WL根据编码器中噪声的特性经验值、编码器本身的特性以及滤波权重对于编码器的影响分析获得；
步骤3-3)，根据当前帧图像的滤波系数CoefMxM[i,j]，和当前变换单元的的滤波权重值W，获得当前编码单元的滤波系数。
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