CN109302616A - 一种基于rc预测的hevc帧间预测快速算法 - Google Patents

一种基于rc预测的hevc帧间预测快速算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，属于信源编码通信领域，本发明通过比较残差值确定编码深度，再通过运动强度指标划分运动区域，处在不同运动区域对应不同候选预测模式，排除不同运动区域中不必要帧间预测模式，减少不必要模式判定过程，达到减少运动复杂度的目的，使编码效率进一步提高。

Description

一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法
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帧间预测快速算法。
背景技术
在码率控制(RC)阶段，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。
国际标准组织ITU-T的运动图像专家组VCEG和ISO的移动图像专家组MPEG成立了视频编码合作组JCT-VC，制定了新一代高性能视频编码标准HEVC。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，HEVC编码效率提高1倍的目标已经实现，但由于在编码结构上使用了四叉树结构(quadtree structure)和更大的编码单元(LCU)，导致编码器的计算复杂度显著提高，编码时间上无法满足实时性要求，HEVC在获得高压缩性能的同时也带来了极高的计算复杂度，这对于视频编码技术的长期发展来说显然是不利的。因此，如何在保存HEVC编码压缩效率和图像质量的前提下，显著地降低编码的计算量，加快编码速度就变得尤其重要。
为了提高压缩效率，HEVC中CU(编码单元)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。每一帧图像首先按顺序依次被分割为64*64大小的LCU，每一个LCU编码深度从0到3，被递归的分割成4种深度的(尺寸大小分别为64*64，32*32，16*16，8*8)的CU，构成四叉树编码结构。在HEVC帧间编码过程中，处于每一种编码深度下的CU，都有其对应的PU划分模式，进行运动估计ME与运动补偿MC。如图1所示，对于某一深度d下的CU，其帧间预测模式包括SKIP/merge、正方形分割(Square，Inter2N*2N，InterN*N)、对称分割(SMP，Inter 2N*N，InterN*2N)、非对称分割(AMP，Inter 2N*nU，Inter 2N*nD，InternL*2N，InternR*2N,)、以及intra modes(intra 2N*2N,intraN*N)。
HEVC编码器针对不同深度下的CU，都会自顶向下地对所有分割方式(SKIP/merge、Square、SMP、AMP以及intra modes)进行运动估计与运动补偿，在参考软件HM中程序调用的过程如图2所示，由LCU(编码深度d＝0)开始直至最小编码单元SCU(编码深度d＝3)结束，对每一层深度的CU中分别执行图2中的函数调用流程，对其中每一种帧间预测模式逐一比较率失真代价大小，找到率失真代价最小的PU分割方式作为当前CU的最佳PU预测模式。显然，这种遍历计算过程使得编码端的计算复杂度非常高，进行视频压缩所消耗的编码时间较长，无法满足实时性视频压缩需求。由此可见，HEVC的帧间预测过程引入了大量运算复杂度，如何有效降低编码器的运算量成为目前亟待解决的问题。
为了降低HEVC编码过程的复杂度，近两年已有若干新算法被提出。有的利用图像的纹理信息和稳定区域检测信息，通过设定门限值的方式判定当前CU是否需要进一步分割；有的利用率失真(RD)代价确定门限值提前终止当前CU的继续分割，而对于帧间预测模式的选择未进行有效处理；有的利用灰度差的分布特性对当前块进行分割处理，但灰度二值化滤波的失真较大，其效果并不理想；有的利用光流法计算金字塔运动发散(PMD)的特征值判定CU的分割情况，有效降低了复杂度，但对于运动矢量间的相关性未充分考虑，导致编码RD性能不佳；有的利用JND模型和ADD决策进行编码深度和帧间预测模式的快速选定，但对于纹理复杂的序列该算法降低复杂度的效果有限；有的通过时空域相邻CU的加权进行深度值预测，减少最大编码单元(LCU)的深度遍历次数，但其固定的权重算法未考虑序列之间的差异性，导致其预测的深度范围存在误差。
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帧间预测快速算法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，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块都进行帧间运动估计和35种方向的帧内预测，通过比较得到每个块的最佳编码模式和预测方向，并记录结果；
初定义编码深度值d＝0；
S2：在编码阶段对每个CU进行编码深度值为d以及下一级编码深度为d+1的其4个子块的差异程度FDD计算；
所述FDD(d)反映了残差中各数据值的差异程度；
所述为CU中坐标(x,y)位置处的像素值；为相邻帧的同位置CU的(x,y)处像素值；Md代表当前编码深度指数，即Md＝2d，d为编码深度值，d∈[0,3]；Nd代表当前深度下CU块的边长；
S3：若编码深度值d＜3且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异小于10％，且4个子块的FDD(d+1)之和小于当前CU的FDD(d)，则分割终止，向下执行；
若编码深度值d＜3且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异不小于10％，或4个CU子块的FDD(d+1)之和不小于当前CU的FDD(d)，则编码深度值d自身加1，并执行步骤S2；
若编码深度值d＝3，则分割终止，向下执行；
S4：步骤S1中得到当前块对应的亚取样平面中8*8块的预测编码模式，若对应的8*8块的预测模式为intra，则只进行帧内预测编码；如果对应的8*8块的预测模式不是intra，则向下执行；
S5：在当前深度下计算运动强度RMFd；
所述CUcur(x,y)表示编码深度值d下当前CU中坐标(x,y)处像素值；CUcol(x,y)表示已编码参考帧中匹配块在坐标(x,y)处像素值；
所述Lmv为帧间运动幅度，其为运动矢量(MV)的二范数，Lmv＝||mv||2；
S6：设定门限值TH1和TH2；
TH1＝α×RMF′d；
TH2＝β×RMF′d；
所述RMF d'为已编码最佳深度为d的CU的RMF均值；
α与β为门限系数，其中α＜β；
S7：比较RMFd与TH1、TH2的大小；通过RMFd与TH1、TH2的关系筛选候选预测模式。
较佳的，所述步骤S2中，在d＝0时，当前CU计算得到FDDd＝0，则判定当前CU的帧间预测模式为SKIP模式，并结束程序。
较佳的，所述步骤S4中，通过RC阶段的计算结果判断当前CU的预测模式是否为intra。
较佳的，所述步骤S6中α＝0.6，β＝1.5。
较佳的，所述步骤S7中：
若RMFd＜TH1则候选预测模式为SKIP/merge和Square；
若TH1≤RMFd≤TH2则候选预测模式为Square和SMP；
若RMFd＞TH2则候选预测模式为Square、SMP和AMP。
本发明的有益效果是：
本发明通过比较残差值，处于运动变换较小的平滑区域所对应残差数值分布比较均匀，其继续向下一层深度划分的趋势减弱；而在运动剧烈的区域，残差数值波动较大，适合采用更小的CU尺寸进行处理，即需要继续向下深度划分，通过此方法预测编码深度，预测精确，相比遍历计算过程大大的降低了编码端的计算复杂度；
本发明通过运动强度指标划分运动区域，处在不同运动区域对应不同候选预测模式，排除不同运动区域中不必要帧间预测模式，减少不必要模式判定过程，达到减少运动复杂度的目的，使编码效率进一步提高；
通过此发明极大地提高HEVC帧间编码速度，并保证编码压缩性能和预测编码的准确性。
附图说明
图1是HEVC帧间部分预测分割模式；
图2是参考软件HM12.0中帧间预测函数调用流程；
图3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，首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。
视频中相邻帧之间在时域上存在很强的相关性，且视频的帧率越高，相关性越强。视频中相邻两帧的同一位置的对应CU之间，处于运动变换较小的平滑区域所对应残差数值分布比较均匀，其继续向下一层深度划分的趋势减弱；而在运动剧烈的区域，残差数值波动较大，适合采用更小的CU尺寸进行处理，即CU的尺寸大小与相邻帧同位置CU的像素残差分布具有密切关系。
具体算法包括以下步骤：
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块都进行帧间运动估计和35种方向的帧内预测，通过比较得到每个块的最佳编码模式和预测方向，并记录结果；
初定义编码深度值d＝0；
S2：在编码阶段对每个CU进行编码深度值为d以及下一级编码深度为d+1的其4个子块的差异程度FDD计算；
所述FDD(d)反映了残差中各数据值的差异程度；
所述为CU中坐标(x,y)位置处的像素值；为相邻帧的同位置CU的(x,y)处像素值；Md代表当前编码深度指数，即Md＝2d，d为编码深度值，d∈[0,3]；Nd代表当前深度下CU块的边长；
在d＝0时，当前CU计算得到FDDd＝0，说明当前CU与相邻帧的CU基本一致，可以直接跳出后续的子块划分过程，判定当前CU的帧间预测模式为SKIP模式，并结束程序。
S3：若编码深度值d＜3；且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异小于10％，且4个子块的FDD(d+1)之和小于当前CU的FDD(d)，则分割终止，向下执行；
若编码深度值d＜3；且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异不小于10％，或4个CU子块的FDD(d+1)之和不小于当前CU的FDD(d)，则编码深度值d自身加1，并执行步骤S2；
若编码深度值d＝3，则分割终止，向下执行；
S4：通过步骤S1中的RC阶段的计算结果判断当前CU的预测模式，得到当前块对应的亚取样平面中8*8块的预测编码模式，若对应的8*8块的预测模式为intra，则只进行帧内预测编码；如果对应的8*8块的预测模式不是intra，则向下执行；
S5：在每个CU的深度得到确定后，还需要对当前深度下的CU进行帧间预测模式的判定，减少不必要模式判定过程，
在当前深度下计算运动强度RMFd；
所述CUcur(x,y)表示编码深度值d下当前CU中坐标(x,y)处像素值；CUcol(x,y)表示已编码参考帧中匹配块在坐标(x,y)处像素值；
所述Lmv为帧间运动幅度，其为运动矢量(MV)的二范数，Lmv＝||mv||2；
S6：设定门限值TH1和TH2；
TH1＝α×RMF′d；
TH2＝β×RMF′d；
所述RMF d'为已编码最佳深度为d的CU的RMF均值；
α与β为门限系数，其中α＜β，本实施例中α＝0.6，β＝1.5。
S7：比较RMFd与TH1、TH2的大小；通过RMFd与TH1、TH2的关系筛选候选预测模式。
若RMFd＜TH1，定义此区域为平缓运动区域，则候选预测模式为SKIP/merge和Square；
若TH1≤RMFd≤TH2，定义此区域为中等运动区域，则候选预测模式为Square和SMP；
若RMFd＞TH2，定义此区域为复杂运动区域，则候选预测模式为Square、SMP和AMP。
在帧间预测的过程中，处在运动简单的区域，CU通常编码深度较小，且预测模式相对简单，SKIP/mergemode，inter2N*2N等模式比重较大；而处在运动复杂的区域，CU编码深度较大，相应的预测模式也更加多样，其中SMP、AMP所占比例上升。当前待编码块的帧间预测模式类型与该块本身的运动特征密切相关，且视频中的运动强度越复杂，所需要用的帧间预测模式类型越丰富。本实施例将每帧视频中的待编码块分为3种运动类型，包括平缓运动区域、中等运动区域与复杂运动区域，处在不同运动区域对应不同候选预测模式，排除不同运动区域中不必要帧间预测模式，达到减少运动复杂度的目的。
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 (5)

1.一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，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块都进行帧间运动估计和35种方向的帧内预测，通过比较得到每个块的最佳编码模式和预测方向，并记录结果；
初定义编码深度值d＝0；
S2：在编码阶段对每个CU进行编码深度值为d以及下一级编码深度为d+1的其4个子块的差异程度FDD计算；
所述FDD(d)反映了残差中各数据值的差异程度；
所述为CU中坐标(x,y)位置处的像素值；为相邻帧的同位置CU的(x,y)处像素值；Md代表当前编码深度指数，即Md＝2d，d为编码深度值，d∈[0,3]；Nd代表当前深度下CU块的边长；
S3：若编码深度值d＜3且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异小于10％，且4个子块的FDD(d+1)之和小于当前CU的FDD(d)，则分割终止，向下执行；
若编码深度值d＜3且4个子块的FDD(d+1)大小之间差异不小于10％，或4个CU子块的FDD(d+1)之和不小于当前CU的FDD(d)，则编码深度值d自身加1，并执行步骤S2；
若编码深度值d＝3，则分割终止，向下执行；
S4：步骤S1中得到当前块对应的亚取样平面中8*8块的预测编码模式，若对应的8*8块的预测模式为intra，则只进行帧内预测编码；如果对应的8*8块的预测模式不是intra，则向下执行；
S5：在当前深度下计算运动强度RMFd；
所述CUcur(x,y)表示编码深度值d下当前CU中坐标(x,y)处像素值；CUcol(x,y)表示已编码参考帧中匹配块在坐标(x,y)处像素值；
所述Lmv为帧间运动幅度，其为运动矢量(MV)的二范数，Lmv＝||mv||2；
S6：设定门限值TH1和TH2；
TH1＝α×RMF′d；
TH2＝β×RMF′d；
所述RMF′d为已编码最佳深度为d的CU的RMF均值；
α与β为门限系数，其中α＜β；
S7：比较RMFd与TH1、TH2的大小；通过RMFd与TH1、TH2的关系筛选候选预测模式。
2.基于权利要求1所述的一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，其特征在于：
所述步骤S2中，在d＝0时，当前CU计算得到FDDd＝0，则判定当前CU的帧间预测模式为SKIP模式，并结束程序。
3.基于权利要求1所述的一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，其特征在于：
所述步骤S4中，通过RC阶段的计算结果判断当前CU的预测模式是否为intra。
4.基于权利要求1所述的一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，其特征在于：
所述步骤S6中α＝0.6，β＝1.5。
5.基于权利要求1所述的一种基于RC预测的HEVC帧间预测快速算法，其特征在于：所述步骤S7中：
若RMFd＜TH1则候选预测模式为SKIP/merge和Square；
若TH1≤RMFd≤TH2则候选预测模式为Square和SMP；
若RMFd＞TH2则候选预测模式为Square、SMP和AMP。
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