CN110446036A - 一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，该快速划分方法的核心思想是结合水平二叉划分和垂直二叉划分的编码信息跳过不必要的水平三叉划分，以尽可能地降低编码时间。本发明实施例提供的方法步骤简单，计算量小，可方便地投入实际应用。

Description

一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法
技术领域
本发明属于视频编码技术领域，特别涉及一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法。
背景技术
高效率视频编码(High Efficiency Video Coding，简称HEVC)虽然是目前全球主要的也是最新的视频编码技术，仍然无法满足日渐发展的视频应用和视频需求。因此，运动图像专家组(Moving Picture Epert Group，简称MPEG)和视频编码专家组(VideoCodingEpert Group，简称VCEG)于2015年10月成立了联合视频探索组(Joint Video EplorationTeam，简称JVET)，研究新一代视频编码技术，以期超越HEVC的压缩效率，适应当今视频业务的迅猛发展。
在2018年4月的第10次JVET会议上，JVET定义了新一代视频编码技术的第一份草案，并将新视频标准命名为多功能视频编码(Versatile Video Coding，简称VVC)，并且发布了相应的编码器测试模型VTM1.0。与HEVC的四叉树编码结构不同，VTM1.0采用了四叉树以及嵌套的多类型树结构(QTMT)，使得编码单元(Coding Unit，简称CU)的划分更加灵活。2018年7月到10月，JVET相继发布了VVC的第二和第三份草案，相应的测试模型也更新至VTM2.0和VTM3.0。
随着视频编码技术的发展，许多新的编码工具，例如亮度与色度分离的划分结构以及多变换选择(Multiple Transform Selection，简称MTS)均被VVC采用，并集成到VTM(Video Test Model)中，这些新工具大大提高了VTM的编码效率，但同时也极大地增加了编码尤其是帧内编码的时间复杂度。VTM的帧内编码时间复杂度大约是HEVC的数倍之多。如此高的复杂度不仅使得VVC的进一步开发和研究进程受阻，也不利于今后的推广和应用。
当一幅图像进入VVC编码器后，首先会被分割成若干个大小相等的编码树单元(CTU)，CTU是最大的编码单元，通常大小为128×128像素。QTMT划分技术以CTU为根节点进行四叉划分，四叉划分的叶子节点还能以多类型树结构进一步递归划分，直到将其划分至设定的最小值。在这种结构中的每一个节点都是编码单元(CU)。除特殊情况外，多类型树的节点每次划分都会遍历上述多类型树结构中的四种划分模式，四叉树的节点除了会遍历多类型树结构中的四种划分模式外还会尝试四叉划分模式。在此过程中，需要通过率失真优化来选取最优的划分模式以及划分深度。以64×64大小的帧内CU为例，对该CU依次进行帧内预测、四叉划分、水平二叉划分、垂直二叉划分、水平三叉划分、垂直三叉划分，并分别计算帧内预测以及这五种划分下的率失真代价，选率失真代价最小的模式为最终编码模式。
复杂的划分结构以及递归的搜索方式给编码器带来了沉重的计算负担，虽然VVC与HEVC都是在基于块的混合视频编码框架下设计的，且关于HEVC划分结构加速的研究已经非常成熟，然而并不适用于VVC。
发明内容
针对现有技术中VVC标准编码器VTM编码时间长的问题本发明实施例提供了一种基于多用途编码帧内编码的编码单元快速划分方法，缩短了编码时间，提高了实际应用性。
CU在进行水平三叉划分之前已经完成了水平二叉划分和垂直二叉划分模式的率失真优化，此时产生的许多编码数据都可以表征CU的纹理方向等信息，例如水平二叉划分和垂直二叉划分模式的率失真代价、水平二叉划分时子CU的最优划分模式及帧内预测模式等。这些信息无需附加计算只要在编码时保存即可用于水平三叉划分模式的快速跳过，且存储这些信息所需内存非常小，可忽略不计。
在本发明实施例的方法中，主要利用了水平二叉划分和垂直二叉划分模式的率失真代价(RDBT_H，RDBT_V)、水平二叉划分时上下子CU的最优划分模式(Splitupper，Splitlower)及帧内预测模式(IntraModeupper，IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)对是否提前跳过水平三叉划分模式进行预判。如果垂直二叉划分的率失真代价小于水平二叉划分的率失真代价，则说明CU倾向于选择垂直划分模式，因此可以跳过接下来的水平三叉划分模式。此外，如果水平二叉划分时上下子CU的最优划分模式(Splitupper，Splitlower)均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper，IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式(模式39到57，见图7)则提前跳过水平三叉划分。
一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断水平二叉划分时上子CU的最优划分模式Splitupper和下子CU的最优划分模式Splitlower是否均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper，IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式(模式39到57)，若否，则进行步骤S2；
S2：判断垂直二叉划分的率失真代价是否小于水平二叉划分的率失真代价，若是，则进行步骤S3；
S3：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式；
S4：依次进行水平三叉划分模式和垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式。
优选地，步骤S1中，若是，则进行步骤S3。
优选地，步骤S2中，若否，则进行步骤S4。
在VTM的帧内编码模块中，灵活的QTMT划分结构以及新引入的编码工具如MTS等是编码复杂度增加的主要原因。
与HEVC以及H.264/AVC一样，VVC也采用了基于块的混合编码框架。基于这一框架，VVC编码技术对以上所述各种冗余都有相应模块优化。图1所示为典型的VVC视频编码流程。如图1中所示，输入的图像首先被划分为大小相等的正方形图像块，这些图像块被称为树形编码单元(Coding Tree Unit，简称CTU)，CTU是四叉树以及嵌套的多类型树划分结构的根节点。CTU将根据四叉树及嵌套多类型树的划分结构进一步划分为编码单元(Coding Unit，简称CU)，CU是编码器对视频信号进行后续处理的基本单位。一个CU首先会根据其帧内帧间属性进行帧内预测或者帧间预测。如果是帧内预测，则主要利用空间相邻的参考像素经过线性插值得到当前CU的像素预测值，如果是帧间预测，则是利用时间相邻(前一帧或前几帧)的参考像素经过位移补偿得到当前CU的像素预测值。然后将CU的预测值与原始值相减得到残差，残差经过变换进一步减少相邻像素点误差的空间相关性并得到相应的残差系数。残差系数经量化后一方面会结合编码模式以及相关的编码参数等信息进行熵编码，从而得到压缩后的码流。另一方面，量化后的残差系数会经反量化反变换，然后将残差和预测值相加得到重建像素，重建图像经滤波后生成参考帧并存储在解码图像缓存器中，用于后面的CU帧内预测或帧间预测时作参考像素。
VVC视频编码标准在图像划分技术上采用了一种更灵活的结构——基于四叉树及嵌套多类型树的结构，除了支持四叉划分还支持不同方向的二叉划分及三叉划分。VVC一共有五种划分模式，分别为四叉划分、垂直二叉划分(SPLIT_BT_VER)、水平二叉划分(SPLIT_BT_HOR)、垂直三叉划分(SPLIT_TT_VER)和水平三叉划分(SPLIT_TT_HOR)，其中，四叉划分称为四叉树结构，垂直二叉划分、水平二叉划分、垂直三叉划分和水平三叉划分称为多类型树结构。多类型树结构中的各个划分模式如图2～5所示，图2为垂直二叉划分示意图，图3为水平二叉划分示意图，图4为垂直三叉划分示意图，图5为水平三叉划分示意图。图2和图3中，CU的二叉划分为对称划分，图4和图5中，三叉划分则以边长1:2:1的比例划分。在多类型树划分结构下，VVC能更好地适应分辨率越来越大、内容越来越丰富、纹理越来越复杂的视频序列。
当一幅图像进入VVC编码器后，首先会被分割成若干个大小相等的CTU，CTU是最大的编码单元，通常大小为128×128像素。QTMT划分技术以CTU为根节点进行四叉划分，四叉划分的叶子节点还能以多类型树结构进一步递归划分，直到将其划分至设定的最小值。在这种结构中的每一个节点都是CU。除特殊情况外，多类型树的节点每次划分都会遍历上述多类型树结构中的四种划分模式，四叉树的节点除了会遍历多类型树结构中的四种划分模式外还会尝试四叉划分模式。在此过程中，需要通过率失真优化来选取最优的划分模式以及划分深度。以64×64大小的帧内CU为例，对该CU依次进行帧内预测、四叉划分、水平二叉划分、垂直二叉划分、水平三叉划分、垂直三叉划分，并分别计算帧内预测以及这五种划分下的率失真代价，选率失真代价最小的模式为最终编码模式。
本发明实施例的有益效果
1、本发明实施例提出了一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，该快速划分方法的核心思想是结合水平二叉划分和垂直二叉划分的编码信息跳过不必要的水平三叉划分，以尽可能地降低编码时间；
2、本发明实施例提供的方法步骤简单，计算量小，可方便地投入实际应用。
附图说明
图1是典型的VCC视频编码流程图。
图2为垂直二叉划分示意图。
图3为水平二叉划分示意图。
图4为垂直三叉划分示意图。
图5为水平三叉划分示意图。
图6为实施例2的流程示意图。
图7为帧内模式示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种基于多用途编码帧内编码模式的多变换选择加速方法，解决了现有技术中VVC标准编码器VTM编码时间长的问题，缩短了编码时间，扩大了应用性。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细地说明。
实施例1
一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断水平二叉划分时上子CU的最优划分模式Splitupper和下子CU的最优划分模式Splitlower是否均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper，IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式(模式39到57)，若否，则进行步骤S2；
S2：判断垂直二叉划分的率失真代价是否小于水平二叉划分的率失真代价，若是，则进行步骤S3；
S3：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式；
S4：依次进行水平三叉划分模式和垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式。
优选地，步骤S1中，若是，则进行步骤S3。
优选地，步骤S2中，若否，则进行步骤S4。
实施例2
一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断水平二叉划分时上子CU的最优划分模式Splitupper和下子CU的最优划分模式Splitlower是否均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper,IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式(模式39到57)，如果是则转到步骤S3，否则转到步骤S2；
S2：判断垂直二叉划分的率失真代价是否小于水平二叉划分的率失真代价，如果是则转到步骤S3，否则转到步骤S4；
S3：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式；
S4：依次进行水平三叉划分模式，垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式。
流程图如图6所示。
实施例3
一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断水平二叉划分时上子CU的最优划分模式Splitupper和下子CU的最优划分模式Splitlower是否均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper,IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式(模式39到57)，如果是则转到步骤二，否则转到S3；
S2：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式。
S3：依次进行水平三叉划分模式，垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式。
实施例4
一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断垂直二叉划分的率失真代价是否小于水平二叉划分的率失真代价，如果是则转到S2，否则转到S3；
S2：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式。
S3：依次进行水平三叉划分模式，垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的为当前CU的最佳模式。
将实施例2基于VVC官方参考平台VTM3.0实现，并在JEVT的通用测试条件下进行实验。在编码器的设置上，使用默认的All-Intra配置中的设置，测试所用视频序列为JVET推荐的六类共22个序列，B到E类测试视频序列与HEVC的标准测试视频序列相同，其输入比特深度为8比特，分辨率从1920x1080到416x240不等，A1到A2类测试视频序列为VVC新增的超高清测试视频序列，其输入比特深度为10比特。编码性能主要由BDBR(Bjotegaard DeltaBit rate)和TS两个指标进行评估，并以原始的VTM3.0编码器为基准评估算法的编码性能。其中，BDBR表示在同样的客观质量下两种编码方法的码率差值，由同一段视频在四个QP取值下(22，27，32，37)分别编码并计算码率和PSNR所得到。BDBR能够综合反映视频的码率和质量，其值越大说明所提出的快速算法相比原编码器码率更高，算法的压缩性能越差。TS则用于衡量快速算法在原编码器的基础上对编码时间的缩减程度，其计算方式如下：
其中，Tp为将快速算法嵌入VTM3.0后的总编码时间，To为原编码器VTM3.0的总编码时间。实验结果如表1所示。
表1实验结果
表1中Y，U，V分别为亮度和色度分量的BDBR。根据实验结果，从平均意义上看，CU快速划分算法使Y，U，V分量的BDBR分别平均增加了1.02％，0.96％，1.05％，说明各分量的码率并无明显增加，有效地保证了编码器的压缩性能，而编码时间相比原编码器减少了45％，大大降低了编码复杂度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越本发明所限定的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，其特征在于，步骤包括：
S1：在当前CU做完水平二叉划分和垂直二叉划分模式后，判断水平二叉划分时上子CU的最优划分模式Splitupper和下子CU的最优划分模式Splitlower是否均为垂直二叉划分且上下子CU的最优帧内预测模式(IntraModeupper，IntraModelower)以及当前CU的最优帧内预测模式(IntraModecurr)均为垂直方向的预测模式，若否，则进行步骤S2；
S2：判断垂直二叉划分的率失真代价是否小于水平二叉划分的率失真代价，若是，则进行步骤S3；
S3：跳过水平三叉划分模式，直接进行垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式；
S4：依次进行水平三叉划分模式和垂直三叉划分模式，并从帧内预测、垂直三叉划分、水平二叉划分和垂直二叉划分模式中选择率失真代价最小的作为当前CU的最佳模式。
2.根据权利要求1所述基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，其特征在于，步骤S1中，若是，则进行步骤S3。
3.根据权利要求1所述基于多用途编码中帧内编码的编码单元快速划分方法，其特征在于，步骤S2中，若否，则进行步骤S4。
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