CN109168000B - 一种基于rc预测的hevc帧内预测快速算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法，属于信源编码通信领域，本发明通过比较邻近CU块及前一帧对应位置CU块的分割深度与当前CU块分割深度的关系来确定当前CU块的分割深度，再利用码率控制RC计算得到最佳帧内预测方向进行当前CU块的帧内编码，本发明保证编码压缩效率和保证图像质量的前提下，极大的降低编码的复杂度和运算量，极大减少编码时间。

Description

一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法
技术领域
本发明属于信源编码通信领域，特别是涉及一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法。
背景技术
视频编码器对原始数据进行编码压缩以获得尽可能小的重建失真或得到尽可能低的码率，为此采用了很多新技术如更复杂的帧间/内预测算法、可变块大小运动补偿、多模式块的划分、变尺寸块变换、支持1/4像素精度的运动矢量、率失真优化技术等。而这些压缩性能的提升，都是以增加大量的计算量为代价，给视频实时编码通信带来极大的不便。
针对高效视频编码(HEVC)帧内预测中编码单元(CU)划分复杂度过高和35种帧内预测方向的运算量过大的问题，提出了一种极高效的HEVC帧内预测算法。该算法根据图像序列的时空相关性和码率控制的预测性，对帧内编码进行简洁高效的运算，获得极小的重建失真和极大的编码提速。
HEVC编码标准的主要目标是在H.264/AVC标准的基础上将高分辨率/高保真的视频图像压缩效率提高一倍，即在保证相同视频图像质量的前提下，使视频流的码率减少50％，进而更好地适应各种不同的网络环境。然而HEVC在获得高压缩性能的同时也带来了极高的计算复杂度这一问题，这对于工程应用和视频编码技术的长期发展来说是相当不利的。
HEVC编码方案不同于以往的混合编码方案，HEVC的块划分结构更加灵活，主要由CU(编码单元)，PU(预测单元)和TU(变换单元)组成。编码单元就是输入的原始YUV，其中最大的编码单元(LCU)为64*64，最小的编码单元(SCU)为8*8，对于帧内编码块而言最小的编码单元(SCU)为4*4。预测单元保存进行帧内/帧间预测的基本单元，变换单元是进行变换和量化的基本单元。这三个单元的划分，不仅使得变换、预测和编码各个处理环节更加灵活，也使得各环节的划分更加符合视频编码的纹理特征，最终能够实现编码性能的最优化。
HEVC帧内预测过程的复杂度，HEVC的编码单元CU采用四叉树递归划分，以CU的尺寸和深度Depth来表征CU的两大特征。划分的深度、块的大小和位置如关系如图1和图2所示，当LCU为一个64*64块，不进行往下划分时定义深度Depth＝0；当LCU划分为四个32*32子块时，对于32*32的块定义深度Depth＝1，以此类推，直到划分到CU的最小尺寸为8*8时不再划分，此时深度为Depth＝3；但对于帧内编码预测时当Depth＝3，还需再将每一个8*8的块一分为四，变成4个4*4的块。
HEVC采用率失真优化技术(RDO)，为每一种分割模式和预测方向都计算率失真代价，有效的提高了编码性能。率失真代价函数模型如下所示：
J＝D+λ*R；
其中，D表示当前预测模式下的失真，R表示编码当前预测模式所需的比特数，λ为拉格朗日因子，J表示编码当前预测模式的率失真代价。首先对最大编码单元LCU(64*64)，深度Depth＝0进行35种预测方向的帧内预测，计算这时的率失真代价定义为RDcost_0；然后将LCU进行划分获得四个子CU(32*32)。接着对每一个子CU进行35种预测方向的帧内预测并计算它们的率失真代价，四个子块(32*32)的率失真代价之和定义为RDcost_1。比较RDcost_0和RDcost_1的大小，若RDcost_0小于RDcost_1，说明当前尺寸CU(64*64)不需要进行划分。否则，对当前每一个子块(32*32)进行划分，深度加1即Depth+1。按照这种方法依次类推直到Depth＝3，找到最小的率失真代价值对应的最优CU划分方式和最佳预测方向。这一过程的计算量非常庞大耗时，如此高复杂度的计算过程给实际应用增加了困难。
目前的帧内预测快速算法的研究主要集中在两个方面：
1)利用块类型预判或者提前终止的思想，对当前编码图像所适合的编码单元类型进行预判，跳过一些不适合此图像纹理的编码块类型的编码过程，从而降低算法复杂度和节省编码时间。
2)针对当前编码单元的众多预测模式，通过低复杂度的方法提前排除一些可能性小的预测模式，从而缩少在RDO模式选择过程中的候选帧内预测模式数目，降低算法复杂度。有的利用Hadamard代价函数模型来预先选出N种预测模式；有的提出了相邻块最优预测模式，并将其加入到RDO候选模式列表，利用空间上相邻的CU的方向信息来进一步加快帧内模式决策过程；有的根据对图像内容的相关性进行分析，在CU层进行深度划分时，参考周围CU的深度范围，减少不必要的深度划分；有的根据视频帧的相关性，通过前一帧相同位置CU的划分深度和当前CU运动矢量差值和预测残差系数来确定当前CU的深度范围，以此跳过不必要的整块预测和子块预测；有的根据时空相邻CU的相关性，利用已编码单元CU的深度范围和深度值来预测当前CU的深度范围和深度值，减少不必要的块划分计算。以上算法虽然考虑了编码块的相关性和视频帧的相关性，但是在图像质量有所下降的同时计算量并没有显著下降。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法，包括以下步骤：
S1：在RC阶段对当前编码帧进行亚取样得到一个亚取样平面，对亚取样平面中的每一个8*8块都进行35种方向的帧内预测，通过比较得到每个8*8块的最佳预测方向，并记录结果；
S2：正常编码程序处理当前帧的第一行CU块，并记录各块分割深度，对于当前CU块初始分割深度Depth＝0；
S3：比较邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度与当前CU分割深度；
S4：若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度大于当前CU分割深度；则跳过当前CU的帧内预测模式计算，进行下一深度划分，同时当前CU块分割深度值自身加1，执行S3；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度等于当前CU分割深度，则仅对当前CU进行最佳预测方向的编码并结束当前CU的划分，所述当前CU的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度小于当前CU分割深度，则对当前深度CU及下一深度进行最佳预测方向的编码并结束CU的划分；所述当前深度CU及下一深度的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向。
本发明的有益效果是：
通过码率控制RC记录当前帧的亚取样平面中每一个8*8块都进行过35种方向的帧内预测计算而得到的最佳预测方向，这个最佳预测方向能为后续帧内预测编码提供精准的帧内预测方向，这样可以确保编码压缩效率和图像质量的前提下极大的降低编码的复杂度和运算量并极大减少编码时间
附图说明
图1是HEVC帧内部分预测块划分；
图2是HEVC帧内预测块划分四叉树；
图3是相邻帧中相同位置的CU；
图4是当前CU与相邻已编码CU；
图5是本发明算法流程图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
视频编码器中，帧内编码前都是先进行每一帧的码率控制，码率控制的最终目的就是得到每一帧的量化步长和每一个块的量化步长。为此对当前帧进行亚取样得到一个亚取样平面，再对亚取样平面中的每一个8*8块都进行35种方向的帧内预测，得到一个最佳帧内预测模式，这样对于下面真正帧内编码预测时就有了准确的预测方向。
视频序列具有时域连续性即相邻两帧相同位置处的CU尺寸近似。如图3示，A和B是相邻的前后两帧图像，A帧中m处纹理较为平坦，最佳分割方式为64*64或32*32，那么B帧中m处的纹理与A帧中近似，分割方式有较大可能为64*64或32*32；同理，A帧中n处的纹理复杂，尺寸块较小，那么B帧中n处的尺寸块也应多为8*8或16*16等。
图4为图3B帧中n处的编码块。空域相关性即空间相邻CU的划分深度也存在相关性。当前CU与邻近已编码CU(左方CU，上方CU，左上方CU，右上方CU)。邻近已编码CU的深度可以为当前编码单元的划分提供参考。
若邻近已编码单元的深度都大于当前CU的深度，并且A帧中n处与当前B帧中待编码CU相同位置的CU的深度也大于当前CU的深度，则可跳过当前CU的帧内分割模式搜索，直接对当前CU进行分块，并且深度值加1。
具体算法步骤如下：
S1：在RC阶段对当前编码帧进行亚取样得到一个亚取样平面，对亚取样平面中的每一个8*8块都进行35种方向的帧内预测，通过比较得到每个8*8块的最佳预测方向，并记录结果；
S2：正常编码程序处理当前帧的第一行CU块，并记录各块分割深度，对于当前CU块初始分割深度Depth＝0；
S3：比较邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度与当前CU分割深度；
S4：若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度大于当前CU分割深度；则跳过当前CU的帧内预测模式计算，进行下一深度划分，同时当前CU块分割深度值自身加1，执行S3；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度等于当前CU分割深度，则仅对当前CU进行最佳预测方向的编码并结束当前CU的划分，所述当前CU的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度小于当前CU分割深度，则对当前深度CU及下一深度进行最佳预测方向的编码并结束CU的划分；所述当前深度CU及下一深度的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于RC预测的HEVC帧内预测快速算法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1：在RC阶段对当前编码帧进行亚取样得到一个亚取样平面，对亚取样平面中的每一个8*8块都进行35种方向的帧内预测，通过比较得到每个8*8块的最佳预测方向，并记录结果；
S2：正常编码程序处理当前帧的第一行CU块，并记录各块分割深度，对于当前CU块初始分割深度Depth＝0，所述正常编码程序处理当前帧的第一行CU块是对相邻两帧相同位置处的第一行CU块进行近似尺寸的分割；
S3：比较邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度与当前CU分割深度；
S4：若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度大于当前CU分割深度；则跳过当前CU的帧内预测模式计算，进行下一深度划分，同时当前CU块分割深度值自身加1，执行S3；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度等于当前CU分割深度，则仅对当前CU进行最佳预测方向的编码并结束当前CU的划分，所述当前CU的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向；
若邻近CU及前一帧对应位置CU的分割深度小于当前CU分割深度，则对当前深度CU及下一深度进行最佳预测方向的编码并结束CU的划分；所述当前深度CU及下一深度的最佳预测方向为步骤S1中当前CU所对应的8*8块的最佳预测方向。
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