CN108063947B - 一种基于像素纹理的无损参考帧压缩方法 - Google Patents

一种基于像素纹理的无损参考帧压缩方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于像素纹理的无损参考帧压缩方法，涉及数字视频信号编解码领域，本发明提供一种快速高效的参考帧压缩方法，适用于HEVC视频标准所规定的编解码过程，可以实现无损参考帧的压缩和解码，主要包含两个过程：基于像素纹理的像素方向预测和动态阶数一元/指数‑哥伦布编码，与MDA&SFL算法相比，本发明实现60％以上的视频参考帧压缩率，即将参考帧数据存储的带宽需求降低60以上，降低了编解码器与外部存储器之间的数据交换量，从而降低由数据读取引起的IO功耗，可以随机调用压缩的像素单元。

Description

一种基于像素纹理的无损参考帧压缩方法
技术领域
本发明涉及数字视频信号编解码领域，尤其是一种参考帧的压缩方法。
背景技术
HEVC(High Efficiency Video Coding)是国际电信组织和运动图像专家联合制定的最新国际视频编码标准。相比之前的H.264/AVC，HEVC具有更高的压缩效率，更加适合高分辨率的视频编码。但是在HEVC的编码过程中引入大量新的技术，导致其算法复杂度急剧提升，使得其需要使用专用集成电路去实现。在专用集成电路实现过程中，HEVC标准中的运动估计和运动补偿部分需要大量使用参考帧数据，由于片上缓存cache的大小限制，参考帧数据一般存储在片外的DRAM中。在大量读取参考帧数据时，存储的访问带宽无法满足实时读取的需求，同时大量数据的读取操作，将会产生较大的IO访问功耗。
参考帧压缩是当前解决视频编解码器的存储访问带宽的主要方案。通过采用参考帧压缩系统，在存入存储器之前对重建的参考帧数据进行有效的压缩处理，减少需要写入和写出的数据量，从而降低了编解码器对存储器的访问带宽的需求。对于编解码器来说，参考帧压缩模块的处理速度不能过低，才能满足参考帧压缩和解压过程不对HEVC编解码过程产生影响。因为对参考帧压缩低延迟的要求，在参考帧算法设计的时候就需要考虑其算法复杂度，较高的算法复杂度就会使得在压缩和解压过程中产生很大的延迟。参考帧数据主要是重建数据，在解码器中主要用于运动补偿，而在编码器中则是用在运动估计模块和运动补偿中。在进行运动估计、运动补偿时，编码器需要将参考帧数据从存储器中读入到运动估计模块中去。在使用参考帧压缩技术之后，参考帧的存储数据量大大降低。参考帧压缩模块主要包括压缩器和解压器两部分。编解码器生成参考帧重建数据，通过压缩器之后存入存储器中；当编解码器需要参考帧数据时，需要将存储器中的压缩数据通过解压器将数据解压后传送给编解码器。
早稻田大学的Satoshi Goto教授团队提出一种多模式DPCM和均值的预测方式，同时应用一种半定长编码方式的算法。该算法首先提出多种方式的DPCM和均值预测方式，之后选取预测残差最小的作为编码，之后应用一种半定长编码(MDA&SFL)，然而该方法仍然是选择像素区域整体作为参考目标，在一定程度上无法满足每个像素点的拟合，所以预测效果较差，在参考帧的预测单元的选择上仍有改进的余地。同时，目前的对残差的编码方式主要是减少数值较小的残差值的编码长度，对数值较大的残差编码性能较差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种快速高效的参考帧(帧间预测时所需参考的帧)压缩方法，适用于HEVC视频标准所规定的编解码过程，可以实现无损参考帧的压缩和解码，该压缩方法主要包含两个过程：基于像素纹理的像素方向预测和动态阶数一元/指数-哥伦布编码。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体实施步骤如下：
第一步：输入参考帧像素数据，即视频序列编码过程中的帧内预测的帧I帧，双向预测帧B帧和参考帧仅含此帧之前的帧P帧，将参考帧图像的亮度分量划分为16×16的处理单元，色度分量分为8×8的处理单元，处理单元为像素处理和存储的最小单元；
第二步：在第一步完成处理单元的划分之后，选用光栅扫描方式遍历整个处理单元，对于每个像素点，选取左侧2×2像素块和上方2×2像素块作为参考像素块，Pi,j为当前正在预测的像素点，第一行像素用其左侧像素点作为预测像素，第一列像素使用其上方像素作为参考像素，第二行使用预测像素点Pi,j左侧2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1，Pi-1,j，Pi-2,j，Pi-2,j-1，第二列使用预测像素点Pi,j上方2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1,Pi-1,j-2，Pi,j-1，Pi,j-2，处理单元其他区域的选取上方和左侧两个2×2单元作为参考块；
第三步：根据第二步中获得的扫描方式和参考块的位置，利用式(1)计算左侧参考单元的水平纹理强度
Figure BDA0001507223930000021
和垂直纹理强度
Figure BDA0001507223930000022
Figure BDA0001507223930000023
根据式(2)计算上方参考单元的水平纹理强度
Figure BDA0001507223930000024
和垂直纹理强度
Figure BDA0001507223930000025
Figure BDA0001507223930000026
式(1)和(2)中pi-2,j-1，pi-1,j-1，pi,j-1，pi-2,j，pi-1,j，pi-1,j-2，pi,j-2表示上方和左侧参考块中对应像素点的像素值；
再根据式(3)计算出两个参考块的整体参考强度
Figure BDA0001507223930000031
和
Figure BDA0001507223930000032
Figure BDA0001507223930000033
其中，
Figure BDA0001507223930000034
为左侧参考块的纹理强度，
Figure BDA0001507223930000035
上方参考块的纹理强度；
利用变量
Figure BDA0001507223930000036
表示参考像素点的纹理方向特征，并根据式(4)计算：
Figure BDA0001507223930000037
水平纹理和垂直纹理的夹角即为参考单元的纹理方向，中间变量η对应不同的参考纹理方向，根据式(5)求出相应的纹理方向：
Figure BDA0001507223930000038
根据纹理方向对两个参考块纹理强度进行补偿得到最终的修正参考块纹理强度，具体计算如式(6)和(7)所示：
Figure BDA0001507223930000039
Figure BDA0001507223930000041
式(6)和(7)中β为补偿参数；
第四步：比较左侧参考块的纹理强度
Figure BDA0001507223930000042
与上方参考块的纹理强度
Figure BDA0001507223930000043
的大小，选取纹理强度大的参考块的纹理方向作为预测方向，具体计算公式如下：
Figure BDA0001507223930000044
式(8)中θl为左侧参考块的纹理方向，θt为上方参考块的纹理方向；
第五步：根据预测方向计算出当前像素点的预测像素值Pre(i,j)，然后使用原始像素值P(i,j)减去预测像素值得到残差值Res(i,j)，取当前预测像素点的右上，上方，左上，左侧四点作为像素参考点，同时增加上方和右上，左上和上方，左侧和左上的均值作为参考值，具体计算公式如下：
Figure BDA0001507223930000045
Res(i,j)＝pi,j-Pre(i,j) (10)
其中：pi,j为预测像素点的像素值，pi+1,j-1为位于预测像素点右上方像素点的像素值，pi,j-1为位于预测像素点上方像素点的像素值，pi-1,j-1位于预测像素点左上方像素点的像素值，pi-1,j位于预测像素点左侧像素点的像素值，
Figure BDA0001507223930000046
为向下取整函数；
第六步：对第五步中的残差值Res(i,j)进行编码，应用动态阶数一元指数哥伦布编码，根据编码像素点周围预测方向选择参考的编码阶数ki,j,如式(11)所示：
Figure BDA0001507223930000051
根据编码产生反馈编码阶数k'i,j，如式(12)所示：
Figure BDA0001507223930000052
对YUV视频数据中的U，V数据应用压缩跳过标志，所述压缩跳过标志为表示色度单元的编码标志位，在一个编码单元中，当所有的残差值均为0，则只存储P1,1的像素值和压缩跳过标志位，否则按照式(11)和(12)对残差进行编码，输出压缩后视频序列的码流，实现参考帧压缩。
本发明的有益效果是与MDA&SFL算法相比，本发明从具体的每个像素点考虑，分析像素点周围像素点情况，采用基于像素纹理的预测方式，同时应用自适应编码算法。在色度图像方面，分析色度图像特点，增加压缩跳过标志，提升对色度图像的压缩性能。本发明实现60％以上的视频参考帧压缩率，即将参考帧数据存储的带宽需求降低60以上，降低了编解码器与外部存储器之间的数据交换量，从而降低由数据读取引起的IO功耗。可以随机调用压缩的像素单元，即完全可以随机读取需要的参考像素单元，即亮度分量为16×16，色度分量为8×8。
附图说明
图1是本发明的参考帧压缩与解压器示意图。
图2是本发明的压缩和解压流程。
图3是本发明的参考块方式选取示意图。
图4是本发明的预测方向示意图。
图5时本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明主要针对参考帧的预测方式加以改进，针对每个像素点判断其纹理情况并计算出预测像素值，降低图像信息的冗余度，在此基础上，应用可以同时满足残差的数值较大或者残差数值较小情况的编码方式，即本发明的动态阶数一元/指数-哥伦布编码，从而进一步提高参考帧压缩算法的压缩率。
将参考帧图像的亮度分量划分为16×16的处理单元，色度分量划分为8×8的处理单元。基于像素纹理的方向预测利用周围参考像素块的像素纹理作为当前预测像素的参考方向，在根据获取的预测方向计算出当前像素点的预测像素值和预测残差。利用相邻像素之间的相关性，降低参考帧在空间上的冗余度。
动态阶数一元/指数-哥伦布编码主要根据周围参考快的反馈阶数，确定当前像素点的阶数，同时对预测残差的应用一元/指数哥伦布编码，对余数部分不进行编码。同时对色度处理单元应用压缩跳过标志，对残差全为0的部分跳过压缩，以提升本算法的压缩性能。
参考帧压缩体系是视频编码器中重要的部分，如图1所示，参考帧压缩器和解压器位于HEVC原始编解码器和参考帧存储器之间，主要功能是对参考帧进行压缩和解压。
在HEVC测试程序HM13.0中lowdelay配置条件下，获取所有参考帧数据，之后测试基于纹理的参考帧无损压缩算法的性能，并与MDA&SFL的论文数据进行对比。选取PeopleOnStreet，Traffic，PartyScence，BasketballDrill，RaceHorses，BasketballPass，BlowingBubbles七种HEVC标准测试序列进行测试，其中量化参数选取QP＝32。对统计压缩前后的参考帧图像数据量，计算算法的压缩率。
本发明所述的参考帧压缩方法，图5为本发明的流程图，其中解压缩码过程如图2所示，具体实施方式如下：
第一步：输入参考帧像素数据，即视频序列编码过程中的帧内预测的帧I帧，双向预测帧B帧和参考帧仅含此帧之前的帧P帧，将参考帧图像的亮度分量划分为16×16的处理单元，色度分量分为8×8的处理单元，处理单元为像素处理和存储的最小单元；
第二步：在第一步完成处理单元的划分之后，选用常用的光栅扫描方式遍历整个处理单元，对于每个像素点，选取左侧2×2像素块和上方2×2像素块作为参考像素块，Pi,j为当前正在预测的像素点，第一行像素用其左侧像素点作为预测像素，第一列像素使用其上方像素作为参考像素，第二行使用预测像素点Pi,j左侧2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1，Pi-1,j，Pi-2,j，Pi-2,j-1，第二列使用预测像素点Pi,j上方2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1,Pi-1,j-2，Pi,j-1，Pi,j-2，处理单元其他区域的选取上方和左侧两个2×2单元作为参考块；参考块方式选取示意图如图3所示，图4是本发明的预测方向示意图。
第三步：根据第二步中获得的扫描方式和参考块的位置，利用式(1)计算左侧参考单元的水平纹理强度
Figure BDA0001507223930000071
和垂直纹理强度
Figure BDA0001507223930000072
Figure BDA0001507223930000073
根据式(2)计算上方参考单元的水平纹理强度
Figure BDA0001507223930000074
和垂直纹理强度
Figure BDA0001507223930000075
Figure BDA0001507223930000076
式(1)和(2)中pi-2,j-1，pi-1,j-1，pi,j-1，pi-2,j，pi-1,j，pi-1,j-2，pi,j-2表示上方和左侧参考块中对应像素点的像素值；
再根据式(3)计算出两个参考块的整体参考强度
Figure BDA0001507223930000077
和
Figure BDA0001507223930000078
Figure BDA0001507223930000079
其中，
Figure BDA00015072239300000710
为左侧参考块的纹理强度，
Figure BDA00015072239300000711
上方参考块的纹理强度；
利用变量
Figure BDA00015072239300000712
表示参考像素点的纹理方向特征，并根据式(4)计算：
Figure BDA00015072239300000713
水平纹理和垂直纹理的夹角即为参考单元的纹理方向，中间变量η对应不同的参考纹理方向，根据式(5)求出相应的纹理方向：
Figure BDA0001507223930000081
根据纹理方向对两个参考块纹理强度进行补偿得到最终的修正参考块纹理强度，具体计算如式(6)和(7)所示：
Figure BDA0001507223930000082
Figure BDA0001507223930000083
式(6)和(7)中β为补偿参数；
第四步：比较左侧参考块的纹理强度
Figure BDA0001507223930000084
与上方参考块的纹理强度
Figure BDA0001507223930000085
的大小，选取纹理强度大的参考块的纹理方向作为预测方向，具体计算公式如下：
Figure BDA0001507223930000086
式(8)中θl为左侧参考块的纹理方向，θt为上方参考块的纹理方向；
第五步：根据预测方向计算出当前像素点的预测像素值Pre(i,j)，然后使用原始像素值P(i,j)减去预测像素值得到残差值Res(i,j)，取当前预测像素点的右上，上方，左上，左侧四点作为像素参考点，同时增加上方和右上，左上和上方，左侧和左上的均值作为参考值，具体计算公式如下：
Figure BDA0001507223930000091
Res(i,j)＝pi,j-Pre(i,j) (10)
其中：pi,j为预测像素点的像素值，pi+1,j-1为位于预测像素点右上方像素点的像素值，pi,j-1为位于预测像素点上方像素点的像素值，pi-1,j-1位于预测像素点左上方像素点的像素值，pi-1,j位于预测像素点左侧像素点的像素值，
Figure BDA0001507223930000092
为向下取整函数；
第六步：对第五步中的残差值Res(i,j)进行编码，应用动态阶数一元指数哥伦布编码，根据编码像素点周围预测方向选择参考的编码阶数ki,j,如式(11)所示：
Figure BDA0001507223930000093
根据编码产生反馈编码阶数k'i,j，如式(12)所示：
Figure BDA0001507223930000101
同时由于视频数据中的色度图像较亮度图像存在较多的变化平缓的区域，也就是说色度区域的残差中存在连续的0残差值得区域，所以对YUV视频数据中的U，V数据应用压缩跳过标志，所述压缩跳过标志为表示色度单元的编码标志位，在一个编码单元中，当所有的残差值都是0，则只存储P1,1的像素值和压缩跳过标志位，否则按照式(11)和(12)对残差进行编码，输出压缩后视频序列的码流，实现参考帧压缩，有效降低参考帧的数据量，从而降低存储过程中的带宽需求。
经过上述六个步骤，能有效的降低图像的空间冗余度，得到的16×16的残差数据和单元的第一个像素原始值和经过变长编码的残差数据流，这些数据较压缩之前减少了至少60％。
具体实施举例：
表1参考帧数据压缩率
测试序列 MDA&SFL 本方法
PeopleOnStreet 58.24 71.46
Traffic 60.49 71.01
PartyScence 42.54 68.67
BasketballDrill 58.48 68.88
RaceHorses 54.92 65.64
BasketballPass 58.03 69.66
BlowingBubbles 41.25 59.48
从表1中数据可以看出，MDA&SFL的压缩率在测试序列中的压缩率为40％-60％左右，基于像素纹理的参考帧压缩算法能在测试序列中达到60％以上的压缩率。压缩率得到明显提升。针对最小存储单元，以16×16的单元存储压缩后数据，在HEVC编码器需要的相应参考帧数据的时候，可以根据位置信息提取参考帧存储器中的压缩数据解压，满足单独随机读取像素单元的需求。本算法复杂度较低，基本满足HEVC编解码器的需求。同时，本算法为无损压缩，图像质量能得到很好的保证。

Claims (1)

1.一种基于像素纹理的无损参考帧压缩方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步：输入参考帧像素数据，其中参考帧像素数据为视频序列编码过程中的帧内预测的帧I帧，双向预测帧B帧和参考帧仅含此帧之前的帧P帧，将参考帧图像的亮度分量划分为16×16的处理单元，色度分量分为8×8的处理单元，处理单元为像素处理和存储的最小单元；
第二步：在第一步完成处理单元的划分之后，选用光栅扫描方式遍历整个处理单元，对于每个像素点，选取左侧2×2像素块和上方2×2像素块作为参考像素块，Pi,j为当前正在预测的像素点，第一行像素用其左侧像素点作为预测像素，第一列像素使用其上方像素作为参考像素，第二行使用预测像素点Pi,j左侧2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1，Pi-1,j，Pi-2,j，Pi-2,j-1，第二列使用预测像素点Pi,j上方2×2单元作为参考块，该2×2单元的像素点包含Pi-1,j-1,Pi-1,j-2，Pi,j-1，Pi,j-2，处理单元其他区域的选取上方和左侧两个2×2单元作为参考块；
第三步：根据第二步中获得的扫描方式和参考块的位置，利用式(1)计算左侧参考单元的水平纹理强度
Figure FDA0003032069810000011
和垂直纹理强度
Figure FDA0003032069810000012
Figure FDA0003032069810000013
根据式(2)计算上方参考单元的水平纹理强度
Figure FDA0003032069810000014
和垂直纹理强度
Figure FDA0003032069810000015
Figure FDA0003032069810000016
式(1)和(2)中pi-2,j-1，pi-1,j-1，pi,j-1，pi-2,j，pi-1,j，pi-1,j-2，pi,j-2表示上方和左侧参考块中对应像素点的像素值；
再根据式(3)计算出两个参考块的整体参考强度
Figure FDA0003032069810000017
和
Figure FDA0003032069810000018
Figure FDA0003032069810000019
其中，
Figure FDA00030320698100000110
为左侧参考块的纹理强度，
Figure FDA00030320698100000111
上方参考块的纹理强度；
利用变量
Figure FDA0003032069810000021
表示参考像素点的纹理方向特征，并根据式(4)计算：
Figure FDA0003032069810000022
水平纹理和垂直纹理的夹角表示为参考单元的纹理方向，中间变量η对应不同的参考纹理方向，根据式(5)求出相应的纹理方向：
Figure FDA0003032069810000023
根据纹理方向对两个参考块纹理强度进行补偿得到最终的修正参考块纹理强度，具体计算如式(6)和(7)所示：
Figure FDA0003032069810000024
Figure FDA0003032069810000025
式(6)和(7)中β为补偿参数；
第四步：比较左侧参考块的纹理强度
Figure FDA0003032069810000026
与上方参考块的纹理强度
Figure FDA0003032069810000027
的大小，选取纹理强度大的参考块的纹理方向作为预测方向，具体计算公式如下：
Figure FDA0003032069810000031
式(8)中θl为左侧参考块的纹理方向，θt为上方参考块的纹理方向；
第五步：根据预测方向计算出当前像素点的预测像素值Pre(i,j)，然后使用原始像素值P(i,j)减去预测像素值得到残差值Res(i,j)，取当前预测像素点的右上，上方，左上，左侧四点作为像素参考点，同时增加上方和右上，左上和上方，左侧和左上的均值作为参考值，具体计算公式如下：
Figure FDA0003032069810000032
Res(i,j)＝pi,j-Pre(i,j) (10)
其中：pi,j为预测像素点的像素值，pi+1,j-1为位于预测像素点右上方像素点的像素值，pi,j-1为位于预测像素点上方像素点的像素值，pi-1,j-1位于预测像素点左上方像素点的像素值，pi-1,j位于预测像素点左侧像素点的像素值，
Figure FDA0003032069810000033
为向下取整函数；
第六步：对第五步中的残差值Res(i,j)进行编码，应用动态阶数一元指数哥伦布编码，根据编码像素点周围预测方向选择参考的编码阶数ki,j,如式(11)所示：
Figure FDA0003032069810000034
根据编码产生反馈编码阶数k′i,j，如式(12)所示：
Figure FDA0003032069810000041
对YUV视频数据中的U，V数据应用压缩跳过标志，所述压缩跳过标志为表示色度单元的编码标志位，在一个编码单元中，当所有的残差值均为0，则只存储P1,1的像素值和压缩跳过标志位，否则按照式(11)和(12)对残差进行编码，输出压缩后视频序列的码流，实现参考帧压缩。
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