CN109587482B - 一种基于置信度的帧内编码器优化方法 - Google Patents

一种基于置信度的帧内编码器优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于置信度的帧内编码器优化方法，首先计算各模式的置信度，根据模式的置信度和角度构建二维矢量；其次，根据预测模式的置信度，进一步减少模式候选列表的数量。最后，基于预测模式的置信度，设定阈值以确定CU划分是否提前终止。本发明能够保证视频质量的前提下，大幅提高视频编码的效率。

Description

一种基于置信度的帧内编码器优化方法
技术领域
本发明涉及视频编码领域，特别是一种基于置信度的帧内编码器优化方法。
背景技术
随着高清和超高清视频的快速发展，HEVC不仅可以支持超高分辨率的视频，提升视频图像质量，而且在视频编码的压缩效率方面取得了很大进展，相较于H.264，在同等画面质量下比特率减少了50％。然而，HEVC的高压缩率是以增加复杂度作为代价的，其中帧内预测带来了极高的计算复杂度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于置信度的帧内编码器优化方法，能够在保证视频质量的前提下，大幅提高视频编码的效率。
本发明采用以下方案实现：一种基于置信度的帧内编码器优化方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：计算各预测模式的置信度，根据置信度和角度构建预测矢量；
步骤S2：根据置信度选择一定范围内(5-27种)的预测模式进行HAD cost(哈达玛变化绝对误差成本)估算，并减少候选模式列表的个数，提高编码效率；
步骤S3：基于置信度的分布，设定编码单元(CU)划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分。
进一步地，步骤S1中，根据置信度和角度构建预测矢量具体为：利用左，上相邻预测块(PU)的编码模式和置信度构建预测矢量。
进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：计算每个预测模式的置信度采用下式：
Figure BDA0001901567210000011
式中，rj表示为第j区间中预测模式的置信度，同一区间不同模式的置信度相同，m是将35种哈达玛变化绝对误差代价(HAD cost)的最大差值等距划分的区间数；n为35种预测模式，nj为落在第j区间内的预测模式数量；
步骤S12：将每个预测模式映射为对应的角度，并利用置信度和角度构建二维矢量(r,θ)；其中，每个预测模式对应的角度为：
Figure BDA0001901567210000021
式中，θi是第i种预测模式对应的角度，d是水平或垂直方向的偏移值，V0表示垂直模式的初始值，H0表示水平模式的初始值，并设定V0＝-90°，H0＝0°；
步骤S13：根据相邻预测块的编码矢量来预测当前预测块的预测矢量，三者的依赖关系为：
Figure BDA0001901567210000022
式中，
Figure BDA0001901567210000023
是当前预测块的估计预测矢量，(rl,θl)是左预测块的实际预测矢量，(ru,θu)是上预测块的实际预测矢量；wt是模型的权重，其值介于0-1之间；
进一步地，步骤S1进一步包括以下步骤：
步骤S14：收集之前帧相同预测块位置的信息，来动态调整wt的值，定义t是当前帧的索引，T是已经编码帧的数量，定义如下：
Figure BDA0001901567210000024
式中，(ri,θi)表示第i帧中当前预测块(PU)的共同定位块的实际预测向量，
Figure BDA0001901567210000025
表示第i帧中当前预测块(PU)的共同定位块的估计预测向量；
通过推导和近似值，对于当前预测块的权重wt最终定义为：
Figure BDA0001901567210000026
式中，ε是用于计算wt的常数参数，wt-1和
Figure BDA0001901567210000027
分别代表t-1时刻同一位置预测块的实际和估计的自适应权重；
wt-1采用下式计算：
Figure BDA0001901567210000031
式中，(rc,θc)t-1表示第t-1帧当前预测块的实际预测矢量，(ru,θu)t-1表示第t-1帧上预测块的实际预测矢量，(rl,θl)t-1表示第t-1帧左预测块的实际预测矢量。
进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：HEVC帧内预测中共有35种预测模式，基于当前预测块的置信度rc选择一定范围(5-27种)的预测模式加入模式列表Lc进行HAD cost估算，来提高编码效率；其中当rc≥0.4时，Lc定义如下：
Figure BDA0001901567210000032
式中，X是θc角度对应的预测模式,K是与X模式的绝对差值；当rc＜0.8时，LC中加入模式10和模式26；
步骤S22：将LC中的预测模式按置信度由高至低进行排序，根据预测块的不同尺寸{64×64,32×32,16×16,8×8,4×4}，选择LC中前{8,8,3,3,3}个模式作为候选模式。
进一步地，步骤S3具体为：
基于第一候选模式与第二候选模式(即LC中的第一个候选模式与LC中的第二个候选模式)的置信度差值，比较编码块划分和不划分之间的关系，设定编码单元(CU)划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分；对于不划分的编码单元集中在差值比较小的地方，而对于划分编码单元的集中在差值相对较大的地方，如果当前的编码单元的置信度差值小于预设的阈值，则当前编码单元不需要进一步分割，当前编码单元即为最佳尺寸的编码单元，从而提前终止编码单元划分。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明针对HEVC帧内编码器提出的基于置信度的优化方法，以达到在保证视频质量性能的前提下，实现大幅度减少编码复杂度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的某两个PU块的HAD cost分布图。
图2为本发明实施例的最佳模式与预测模式X的绝对差的趋势示意图。
图3为本发明实施例的不分割CU与分割CU的第一与第二候选模式间置信度差值的分布概率密度示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1至图3所示，本实施例提供了一种基于置信度的帧内编码器优化方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：计算各预测模式的置信度，根据置信度和角度构建预测矢量；
步骤S2：根据置信度选择一定范围内(5-27种)的预测模式进行HAD cost估算，并减少候选模式列表的个数，提高编码效率；
步骤S3：基于置信度的分布，设定编码单元(CU)划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分。
在本实施例中，步骤S1中，根据置信度和角度构建预测矢量具体为：利用左，上相邻预测块(PU)的编码模式和置信度构建预测矢量。
随机选取两个预测块，其HAD cost分布如图1所示。预测块最终选择的模式为最佳模式，图中表示为*。从(a)可以看出，最小HAD cost与其他HAD cost的差值较大，该预测块的最佳模式为模式26；而(b)中最佳模式为模式0，其HAD cost不是最小但十分接近最小的HAD cost。因此可以观察到当最小HAD cost与其他HAD cost的差值越大，则具有最小HADcost的模式的置信度越高。
在本实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：计算每个预测模式的置信度采用下式：
Figure BDA0001901567210000051
式中，rj表示为第j区间中预测模式的置信度，同一区间不同模式的置信度相同，m是将35种哈达玛变化绝对误差代价(HAD cost)的最大差值等距划分的区间数；n为35种预测模式，nj为落在第j区间内的预测模式数量；
步骤S12：将每个预测模式映射为对应的角度，并利用置信度和角度构建二维矢量(r,θ)；其中，每个预测模式对应的角度为：
Figure BDA0001901567210000052
式中，θi是第i种预测模式对应的角度，d是水平或垂直方向的偏移值，V0表示垂直模式的初始值，H0表示水平模式的初始值，并设定V0＝-90°，H0＝0°；
步骤S13：根据相邻预测块的编码矢量来预测当前预测块的预测矢量，三者的依赖关系为：
Figure BDA0001901567210000053
式中，
Figure BDA0001901567210000054
是当前预测块的估计预测矢量，(rl,θl)是左预测块的实际预测矢量，(ru,θu)是上预测块的实际预测矢量；wt是模型的权重，其值介于0-1之间；
在本实施例中，步骤S1进一步包括以下步骤：
步骤S14：收集之前帧相同预测块位置的信息，来动态调整wt的值，定义t是当前帧的索引，T是已经编码帧的数量，定义如下：
Figure BDA0001901567210000061
式中，(ri,θi)表示第i帧中当前预测块(PU)的共同定位块的实际预测向量，
Figure BDA0001901567210000062
表示第i帧中当前预测块(PU)的共同定位块的估计预测向量；
通过推导和近似值，对于当前预测块的权重wt最终定义为：
Figure BDA0001901567210000063
式中，ε是用于计算wt的常数参数，wt-1和
Figure BDA0001901567210000064
分别代表t-1时刻同一位置预测块的实际和估计的自适应权重；
wt-1采用下式计算：
Figure BDA0001901567210000065
式中，(rc,θc)t-1表示第t-1帧当前预测块的实际预测矢量，(ru,θu)t-1表示第t-1帧上预测块的实际预测矢量，(rl,θl)t-1表示第t-1帧左预测块的实际预测矢量。
在本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：HEVC帧内预测中共有35种预测模式，基于当前预测块的置信度rc选择一定范围内的预测模式加入模式列表Lc进行HAD cost估算，来提高编码效率；例如图2所示，在BQSquare序列中，最佳模式和模式X的绝对模式差与置信度的关系。我们发现当rc越大时，最佳模式和模式X的绝对模式差越小。
因此，根据实验经验，当rc≥0.4时，Lc定义如下：
Figure BDA0001901567210000071
式中，X是θc角度对应的预测模式,K是与X模式的绝对差值；当rc＜0.8时，LC中加入模式10和模式26；
步骤S22：将LC中的预测模式按置信度由高至低进行排序，根据预测块的不同尺寸{64×64,32×32,16×16,8×8,4×4}，选择LC中前{8,8,3,3,3}个模式作为候选模式。
在本实施例中，步骤S3具体为：
基于第一候选模式与第二候选模式(即LC中的第一个候选模式与LC中的第二个候选模式)的置信度差值，比较编码块划分和不划分之间的关系，设定编码单元(CU)划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分；对于不划分的编码单元集中在差值比较小的地方，而对于划分编码单元的集中在差值相对较大的地方。例如图3所示，可以清楚的观察到第一和第二候选模式之间的置信度差异与CU的划分具有一定的关系。当置信度差越大，CU不划分的概率越高。因此存在一个足够大的差值作为确定CU是否划分的阈值。在本实施例中，当CU深度为1或2时，阈值分别设置为0.35或0.3。
为了验证本实施例算法的有效性，我们在HEVC标准参考代码HM16.9上进行实验。使用分辨率为2560×1600,1920×1080,1280×720,832×480和416×240的一系列标准序列进行测试。编码配置为“全I帧”，QP分别为22,27,32和37。实验结果如表1所示。
表1实验结果
Figure BDA0001901567210000072
Figure BDA0001901567210000081
可以看出，本实施例能够在保证视频质量性能的前提下，实现大幅度减少编码复杂度的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于置信度的帧内编码器优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：计算各预测模式的置信度，根据置信度和角度构建预测矢量；
步骤S2：根据置信度选择一定范围内的预测模式进行HAD cost估算，并减少候选模式列表的个数，提高编码效率；
步骤S3：基于置信度的分布，设定编码单元划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分；
步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：计算每个预测模式的置信度采用下式：
Figure FDA0003820735570000011
式中，rj表示为第j区间中预测模式的置信度，同一区间不同模式的置信度相同，m是将35种哈达玛变化绝对误差代价的最大差值等距划分的区间数；n为35种预测模式，nj为落在第j区间内的预测模式数量；
步骤S12：将每个预测模式映射为对应的角度，并利用置信度和角度构建二维矢量(r,θ)；其中，每个预测模式对应的角度为：
Figure FDA0003820735570000012
式中，θi是第i种预测模式对应的角度，d是水平或垂直方向的偏移值，V0表示垂直模式的初始值，H0表示水平模式的初始值，并设定V0＝-90°，H0＝0°；
步骤S13：根据相邻预测块的编码矢量来预测当前预测块的预测矢量，三者的依赖关系为：
Figure FDA0003820735570000013
式中，
Figure FDA0003820735570000014
是当前预测块的估计预测矢量，(rl,θl)是左预测块的实际预测矢量，(ru,θu)是上预测块的实际预测矢量；wt是模型的权重，其值介于0-1之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于置信度的帧内编码器优化方法，其特征在于：步骤S1中，根据置信度和角度构建预测矢量具体为：利用左，上相邻预测块的编码模式和置信度构建预测矢量。
3.根据权利要求2所述的一种基于置信度的帧内编码器优化方法，其特征在于：步骤S1进一步包括以下步骤：
步骤S14：收集之前帧相同预测块位置的信息，来动态调整wt的值，定义t是当前帧的索引，T是已经编码帧的数量，定义如下：
Figure FDA0003820735570000021
式中，(ri,θi)表示第i帧中当前预测块的共同定位块的实际预测向量，
Figure FDA0003820735570000022
表示第i帧中当前预测块的共同定位块的估计预测向量；
通过推导和近似值，对于当前预测块的权重wt最终定义为：
Figure FDA0003820735570000023
式中，ε是用于计算wt的常数参数，wt-1和
Figure FDA0003820735570000024
分别代表t-1时刻同一位置预测块的实际和估计的自适应权重；
wt-1采用下式计算：
Figure FDA0003820735570000025
式中，(rc,θc)t-1表示第t-1帧当前预测块的实际预测矢量，(ru,θu)t-1表示第t-1帧上预测块的实际预测矢量，(rl,θl)t-1表示第t-1帧左预测块的实际预测矢量。
4.根据权利要求1所述的一种基于置信度的帧内编码器优化方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：HEVC帧内预测中共有35种预测模式，基于当前预测块的置信度rc选择一定范围内的预测模式加入模式列表Lc进行HAD cost估算，来提高编码效率；其中当rc≥0.4时，Lc定义如下：
Figure FDA0003820735570000031
式中，X是θc角度对应的预测模式,K是与X模式的绝对差值；当rc＜0.8时，LC中加入模式10和模式26；
步骤S22：将LC中的预测模式按置信度由高至低进行排序，根据预测块的不同尺寸{64×64,32×32,16×16,8×8,4×4}，选择LC中前{8,8,3,3,3}个模式作为候选模式。
5.根据权利要求4所述的一种基于置信度的帧内编码器优化方法，其特征在于：步骤S3具体为：
基于LC中的第一个候选模式与LC中的第二个候选模式的置信度差值，比较编码块划分和不划分之间的关系，设定编码单元划分与否的依据，完成提前终止编码单元划分；如果当前的编码单元的置信度差值小于预设的阈值，则当前编码单元不需要进一步分割，当前编码单元即为最佳尺寸的编码单元，从而提前终止编码单元划分。
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