CN109151467B - 基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法 - Google Patents

基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，具体实施方法包括：利用编码帧中当前编码单元每个像素点的亮度值，计算出当前编码单元的水平及竖直活动性；通过比较水平及竖直活动性大小，判断出当前编码单元的水平及竖直纹理特征；利用得到的纹理特征，在当前编码单元中的不同部分对水平及竖直边缘的位置进行判断，跳过帧间预测过程中不必要的预测单元划分模式，从而实现对屏幕内容编码帧间预测模式的快速选择。采用本发明能降低帧间编码的计算复杂度，减小编码时间，有利于屏幕内容编码在实时性要求较高场景下的应用。

Description

基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法
技术领域
本发明属于视频编码领域，更具体地说，涉及一种屏幕内容编码帧间模式快速选择方法。
背景技术
随着高清以及超高清视频应用的不断普及，大量的视频数据对通信网络传输和存储带来了巨大的挑战。为了更好地对高清视频进行压缩，ITU-T的VCEG和ISO/IEC联合成立了视频编码联合小组(Joint Collaborative Team on Video Coding，JCT-VC)，从2010年开始研究新一代视频编码标准，并于2013年4月制定出了高效视频编码标准HEVC(HighEfficiency Video Coding)。与上一代视频编码标准H.264/AVC相比，HEVC加入了更先进的编码技术，如更灵活的编码单元划分，更多的预测方向等，使得其与H.264/AVC在获得相同视频图像质量条件下，码率降低了50％，但大大增加了视频编码端的计算复杂度。
与H.264/AVC类似，HEVC仍然采用混合编码的结构，但对编码单元(CU)、预测单元(PU)和变换单元(TU)采用灵活的四叉树划分以提高编码效率。在HEVC中，一帧图像首先会被分成一系列大小为64×64的编码树单元(CTU)。对CTU采用可递归的深度划分，每次划分为4个相同大小的正方形。编码单元CU的最大尺寸为64×64，最小尺寸为8×8，如图2所示。同时，每一个编码单元CU可以被对称以及非对称地划分为1个、2个或者4个预测单元PU。在帧间预测过程中有8种PU划分方式可供选择，划分可以是对称的，也可以是非对称的，如图3所示。
帧间预测编码目的是去除视频帧时域的冗余信息。当前帧以前一帧为参考帧，在参考帧中搜索当前帧每个编码块的最佳匹配块，对编码块与匹配块相减得到的残差信息进行变换、量化和熵编码，以实现视频的压缩编码。帧间预测编码是编码器耗时最多的一个模块，要想实现视频编码加速，就必须大幅度减小帧间预测编码的计算量。
对于由摄像头捕捉的自然内容(Natural Content)视频图像，HEVC具有显著的压缩性能。但对于由电子设备生成的图像以及视频，即屏幕内容(Screen Content)，HEVC的压缩效果就显得有些差强人意。屏幕内容是目前一种非常流行的视频形式，被广泛应用于网络多媒体会议、无线演示、远程教育等场景中。为了更好地压缩屏幕内容，JCT-VC在2014年制定出了屏幕内容编码(Screen Content Coding,SCC)标准，SCC不仅继承了HEVC的编码技术，而且增加了多种新型编码技术，如帧内块复制(IntraBlock Copy,IBC)模式，调色板(Palette Mode,PLT)模式等，对屏幕内容进行高效的压缩。
SCC预测模式流程图如图4所示。在编码过程中，每一个CTU会根据当前编码单元的内容自适应地选择最合适的CU、PU和TU的组合方式，而这种自适应主要是通过计算当前编码树单元CTU内所有组合方式的失真情况及其所耗费的码率的加权来实现的，即率失真优化(RDO)。编码器会按顺序遍历每一种模式，并将率失真值最小的预测模式作为最佳预测模式。一个64×64大小的CTU，如果一直划分到8×8大小的最小CU，会形成1+4+4×4+4×4×4＝85个CU。而对每一个CU，编码器都会执行如图4所示的编码流程，直至选出最佳的CU、PU、TU的组合方式。由此可见，在计算复杂度本就相当高的HEVC编码基础上，新增加的SCC预测工具又进一步加大了计算复杂度，编码时间也随之增长。这不利于屏幕内容编码在实时性要求较高场合下的应用与普及。
发明内容
本发明旨在解决以上现有的技术问题。提出一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法。本发明的技术方案如下；
1、一种基于图像块活动性的屏幕内容编码(SCC)帧间模式快速选择方法，其特征在于：利用编码帧中当前编码单元(CU)每个像素点的亮度值，首先计算出当前CU的水平及竖直活动性，判断出当前CU的水平及竖直纹理特征；然后计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性，或左半部分及右半部分的水平活动性，检测出当前CU的上半部分和下半部分水平边缘的位置，或在左半部分及右半部分竖直边缘的位置；根据当前CU的纹理特征，水平边缘的位置或竖直边缘的位置，跳过帧间预测过程中不必要的预测单元(PU)划分模式，实现对屏幕内容编码帧间预测模式的快速选择。
2、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：所述的编码单元(CU)是指编码帧中大小为2N×2N的图像块，N为像素数，其取值可以是32，16，8或者4。
3、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：计算出当前CU的水平及竖直活动性，判断出当前CU的水平及竖直纹理特征，是指通过公式(1)和(2)计算出当前CU水平活动性及竖直活动性ACTH和ACTV；若ACTH小于ACTV，判定当前CU具有水平方向的纹理特征；若ACTV小于ACTH，判定当前CU具有竖直方向的纹理特征。
Figure BDA0001794729350000041
Figure BDA0001794729350000042
其中，p(i,j)为像素点(i,j)处的亮度值。
4、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性，或左半部分及右半部分的水平活动性是指：若判断当前CU具有水平方向的纹理特征，则通过公式(3)和(4)分别计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性ACTVU和ACTVD；若判断当前CU具有竖直方向的纹理特征，则通过公式(5)和(6)分别计算当前CU左半部分和右半部分的水平活动性ACTHL和ACTHR；
Figure BDA0001794729350000043
Figure BDA0001794729350000044
Figure BDA0001794729350000051
Figure BDA0001794729350000052
5、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：在当前CU的上半部分和下半部分检测水平边缘的位置，或在左半部分和右半部分检测竖直边缘的位置是指：通过比较ACTVU与ACTVD，或ACTHL与ACTHR大小进行判断。若ACTVU小于ACTVD，判定水平边缘位于当前CU的下半部分，否则位于当前CU的上半部分；若ACTHL小于ACTHR，判定竖直边缘位于当前CU的右半部分，否则位于当前CU的左半部分。
6、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：帧间预测过程中预测单元(PU)划分模式有2N×2N、2N×N、N×2N、N×N、2N×nU、2N×nD、nL×2N和nR×2N共8种。
7、根据权利要求书1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：根据当前CU的纹理特征，水平边缘的位置，或竖直边缘的位置，跳过帧间预测过程中不必要的预测单元(PU)划分模式是指：(1)如果ACTH小于ACTV，跳过N×2N划分模式；若ACTVU小于ACTVD，再跳过2N×nD划分模式，否则再跳过2N×nU划分模式；(2)如果ACTV小于ACTH，跳过2N×N划分模式；若ACTHL小于ACTHR，再跳过nR×2N划分模式，否则再跳过nL×2N划分模式。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明主要利用当前编码单元(CU)的水平及竖直活动性，判断出当前CU的纹理特征，从而选择相对应的帧间预测模式，跳过不必要的PU划分模式，使得原本需要遍历的8种帧间预测模式减少为4种，缩短了编码时间。采用本发明提出的高效视频编码帧间模式快速选择方法，可以有效降低编码端的计算复杂度，同时视频质量基本保持不变，有利于屏幕内容编码在对实时性要求较高场合下的应用普及。
附图说明
图1为本发明中屏幕内容编码帧间模式快速选择方法示意图
图2为SCC中编码单元CU的四叉树划分
图3为SCC中预测单元PU的8种划分方式
图4为SCC编码模式流程图
具体实施方式
下面将结合附图1，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明。
图1为本发明中基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速方法示意图，本发明所述方法包括以下步骤：
步骤101、输入视频，获得图像当前CU各像素点的亮度值；
步骤102、利用各像素点的亮度值，计算出当前CU的水平活动性(ACTH)及竖直活动性(ACTV)；水平活动性ACTH与竖直活动性ACTV可分别由公式(1)及公式(2)计算得到。此处以当前CU大小为8×8为例，其他尺寸CU的边缘信息可用类似方法进行判断：
Figure BDA0001794729350000071
Figure BDA0001794729350000072
步骤103、将得到的ACTH及ACTV进行比较；
1)若ACTH小于ACTV，则可以认定为当前CU具有水平方向的纹理特征，跳过帧间模式中N×2N的PU划分模式；
2)若ACTV小于ACTH，则可以认定为当前CU具有竖直方向的纹理特征，跳过帧间模式中2N×N的PU划分模式；
步骤104、根据步骤103中得到的CU块纹理特征，在对应位置内计算当前CU的水平或者竖直活动性；
1)若判断为具有水平方向的纹理特征，则在当前CU的上下部分对水平边缘的位置进行检测，分别计算当前CU上半部分的竖直活动性(ACTVU)及下半部分的竖直活动性(ACTVD)；ACTVU以及ACTVD可分别由公式(3)以及公式(4)计算得到。
Figure BDA0001794729350000073
Figure BDA0001794729350000074
2)若判断为具有竖直方向的纹理特征，则在当前CU的左右部分对竖直边缘的位置进行检测，分别计算当前CU左半部分的水平活动性(ACTHL)及右半部分的水平活动性(ACTHR)；ACTHL以及ACTHR可分别由公式(5)以及公式(6)计算得到。
Figure BDA0001794729350000081
Figure BDA0001794729350000082
步骤105、根据步骤104中得到的活动性大小，对水平或竖直边缘的位置进行判断，选择相对应的PU划分模式；
1)将ACTVU与ACTVD进行比较。若ACTVU小于ACTVD，则可以判断为水平边缘位于当前CU的下半部分，跳过帧间模式中2N×nD的PU划分模式；反之，可以判断为水平边缘位于当前CU的上半部分，跳过帧间模式中2N×nU的PU划分模式；
2)同理，若ACTHL小于ACTHR，则可以判断为竖直边缘位于当前CU的右半部分，跳过帧间模式中nR×2N的PU划分模式；反之，可以判断为竖直边缘位于当前CU的左半部分，跳过帧间模式中nL×2N的PU划分模式。

Claims (5)

1.一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：利用编码帧中当前编码单元CU每个像素点的亮度值，首先计算出当前CU的水平及竖直活动性，判断出当前CU的水平及竖直纹理特征；然后计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性，或左半部分及右半部分的水平活动性，检测出当前CU的上半部分和下半部分水平边缘的位置，或左半部分和右半部分竖直边缘的位置；根据当前CU的纹理特征，水平边缘的位置或竖直边缘的位置，跳过帧间预测过程中不必要的预测单元PU划分模式，实现对屏幕内容编码帧间预测模式的快速选择；
计算出当前CU的水平及竖直活动性，判断出当前CU的水平及竖直纹理特征，是指通过公式(1)和(2)计算出当前CU水平活动性及竖直活动性ACTH和ACTV；若ACTH小于ACTV，判定当前CU具有水平方向的纹理特征；若ACTV小于ACTH，判定当前CU具有竖直方向的纹理特征；
Figure FDA0003073502330000011
Figure FDA0003073502330000012
其中，p(i,j)为像素点(i,j)处的亮度值，所述的编码单元CU是指编码帧中大小为2N×2N的图像块，N为像素数，其取值可以是32，16，8或者4。
2.根据权利要求1所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性，或左半部分及右半部分的水平活动性是指：若判断出当前CU具有水平方向的纹理特征，则通过公式(3)和(4)分别计算当前CU上半部分和下半部分的竖直活动性ACTVU和ACTVD；若判断当前CU具有竖直方向的纹理特征，则通过公式(5)和(6)分别计算当前CU左半部分和右半部分的水平活动性ACTHL和ACTHR；
Figure FDA0003073502330000013
Figure FDA0003073502330000021
Figure FDA0003073502330000022
Figure FDA0003073502330000023
3.根据权利要求2所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：检测出当前CU的上半部分和下半部分水平边缘的位置，或左半部分和右半部分竖直边缘的位置是指：通过比较ACTVU与ACTVD，或ACTHL与ACTHR大小进行判断；若ACTVU小于ACTVD，判定水平边缘位于当前CU的下半部分，否则位于当前CU的上半部分；若ACTHL小于ACTHR，判定竖直边缘位于当前CU的右半部分，否则位于当前CU的左半部分。
4.根据权利要求3所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：帧间预测过程中预测单元PU划分模式有2N×2N、2N×N、N×2N、N×N、2N×nU、2N×nD、nL×2N和nR×2N共8种。
5.根据权利要求4所述一种基于图像块活动性的屏幕内容编码帧间模式快速选择方法，其特征在于：根据当前CU的纹理特征，水平边缘的位置或竖直边缘的位置，跳过帧间预测过程中不必要的预测单元PU划分模式是指：(1)如果ACTH小于ACTV，跳过N×2N划分模式；若ACTVU小于ACTVD，再跳过2N×nD划分模式，否则再跳过2N×nU划分模式；(2)如果ACTV小于ACTH，跳过2N×N划分模式；若ACTHL小于ACTHR，再跳过nR×2N划分模式，否则再跳过nL×2N划分模式。
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