CN110446040A - 一种适用于hevc标准的帧间编码方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于HEVC标准的帧间编码方法及系统,该方法包括下述步骤:确定当前帧CTU与参考帧同位CTU的位置,计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;若平均像素差值D满足:D<T1,则通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,若不满足,则执行下一步骤;若D满足:T1≤D<T2,采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,若不满足,则继续正常编码;根据当前帧CTU的加权预测值predict_depth预判当前帧CTU的深度范围,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。本发明有效降低HEVC帧间编码的计算复杂度,更加充分地利用编码单元的时空域深度相关性,节省更多的编码时间,能够更好地应用到实时编解码领域中。
Description
技术领域
本发明涉及视频编码技术领域,具体涉及一种适用于HEVC标准的帧间编码方法与系统。
背景技术
在现实应用中,大部分的视频基本上都是经过压缩处理后的视频,而没有经过处理的原始视频中含有大量信息,特别是高清、超高清的视频,携带的信息更加庞大,这些视频有些需要实时传输视频数据,有些则需要长时间的存储视频数据,特别是分辨率越高的视频数据需要更大的带宽和空间来传输和存储,目前的硬件设施对如此大量的视频很难进行存储和实时传输。人们开始研究如何解决超负荷数据量的传输和存储的问题,视频编码由此产生,视频编码也称为视频压缩,经过压缩的视频虽然一定程度上减少了视频的数据量,但在互联网快速发展的时代,视频分辨率及帧率在不断提高,使视频的码率急速增长。
为了提供更好的编码性能,2013年新一代的视频编码标准H.265/HEVC(HighEfficiency Video Coding)正式颁布。帧间编码过程是HEVC的核心技术之一,帧间编码过程中涉及四叉树划分结构,视频中的每一帧先被分割为若干个编码树单元(Coding TreeUint,CTU),CTU经过一次分割就得到4个编码单元(Coding Uint,CU),最大的CU为CTU(没有进行分割时),最小的CU为8×8(深度为3),编码器会逐层计算不同尺寸的率失真代价值,最小的代价值所对应的模式即为最优模式。HEVC的四叉树划分结构在提高编码效率的同时也使得HEVC编码器的计算复杂度急剧增加。目前绝大部分流量来自于移动端,移动端硬件的计算能力和性能层次不齐,如果HEVC直接应用在移动端,可能出现无法正常实时编解码和能耗高等问题,限制了HEVC在实时编解码领域的应用与推广,因此,针对帧间编码的编码单元深度范围进行优化具有极为重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足,本发明提供一种适用于HEVC标准的帧间编码方法与系统,针对原始HEVC编码器所带来的巨大计算复杂度问题,可以提前预判当前帧CTU的深度范围,舍弃不必要的CU划分计算,有效降低HEVC帧间编码的计算复杂度,更加充分地利用编码单元的时空域深度相关性,节省更多的编码时间,能够更好地应用到实时编解码领域中。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种适用于HEVC标准的帧间编码方法,包括下述步骤:
S1:确定当前帧CTU与参考帧同位CTU的位置,计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;
S2:若平均像素差值D满足:D<T1,则通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,若不满足,则执行下一步骤;
S3:若平均像素差值D满足:T1≤D<T2,采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,若不满足,则继续正常编码;
S4:根据当前帧CTU的加权预测值predict_depth预判当前帧CTU的深度范围,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。
作为优选的技术方案,步骤S1中所述计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D,具体计算公式为:
D=meancu-meancol;
其中,meancu表示当前帧CTU平均像素值,meancol表示参考帧同位平均像素值,NCU表示当前帧CTU的尺寸,Ncol表示参考帧同位CTU的尺寸,pCU(i,j)表示当前帧CTU在(i,j)位置上的像素值,pcol(i,j)表示参考帧同位CTU在(i,j)位置上的像素值。
作为优选的技术方案,步骤S3中所述采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,具体步骤为:通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth、当前帧CTU的左侧CTU的最大深度left_maxdepth以及当前帧CTU的上侧CTU的最大深度above_maxdepth加权预测当前帧CTU的加权预测值predict_depth。
作为优选的技术方案,所述时空域加权预测的计算公式为:
predict_depth=ω1*col_maxdepth+ω2*left_maxdepth+ω3*above_maxdepth;
其中,ωi代表权值系数,M代表当前帧CTU的相邻CTU数目。
作为优选的技术方案,将ω1设置为0.4,将ω2设置为0.3,将ω3设置为0.3。
作为优选的技术方案,将阈值T1设置为数值5,将阈值T2设置为数值15。
作为优选的技术方案,步骤S4中所述根据当前帧CTU的加权预测值predict_depth预判当前帧CTU的深度范围,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,具体步骤为:
当predict_depth==L0,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax0;
当L0<predict_depth<L1,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax1;
当L1=<predict_depth<L2,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax2;
其中,L0、L1、L2表示predict_depth满足的阈值范围,Depthmax代表当前帧CTU能遍历的最大预测深度。
作为优选的技术方案,将L0、L1、L2分别设置为0、1、2,将Depthmax0、Depthmax1、Depthmax2分别设置为0、1、2。
本发明还提供一种适用于HEVC标准的帧间编码系统,包括:平均像素差值计算模块、阈值判断模块、预测模块和时空域加权预测模块;
所述平均像素差值计算模块用于计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;
所述阈值判断模块用于判断平均像素差值D是否满足阈值范围要求,若平均像素差值D满足:D<T1,则通过预测模块进行预测计算,若平均像素差值D满足:T1≤D<T2,则通过时空域加权预测模块进行预测计算;
所述预测模块用于通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth;
所述时空域加权预测模块用于采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本发明在编码单元划分决策上采用了将CTU划分深度时空相关性、像素相似度以及加权深度预测算法相结合的技术方案,尽最大可能准确的提前判定当前帧CTU的划分情况,舍弃不必要的CU划分计算。
(2)本发明针对编码单元深度范围进行的决策解决了HEVC原始编码器的计算复杂度较高的问题,同时保证了视频内容的质量基本不变,对于HEVC应用在实时解码领域具有重要意义。
附图说明
图1为本实施例适用于HEVC标准的帧间编码方法的流程示意图;
图2为本实施例当前帧CTU与参考帧同位CTU的位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示,本实施例提供一种适用于HEVC标准的帧间编码方法,本实施例利用CTU的深度时空相关性决策当前帧CTU的深度范围,具体步骤为:
(1)如图2所示,首先确定当前帧CTU与相邻时空CTU的位置情况,其中Cu-CTU代表当前CTU,Co-CTU代表当前CTU的参考帧同位CTU,A-CTU代表当前CTU的上方CTU,L-CTU代表当前CTU的左侧CTU,AL-CTU代表当前CTU的左上方CTU,AR-CTU代表当前CTU的右上方CTU,然后对当前帧CTU与参考帧同位CTU作平均像素差值计算,其中,平均像素值的计算公式为:
其中,mean表示平均像素值,N代表CTU的尺寸,在本实施例中N取64,p(i,j)为CTU在(i,j)位置上的像素值;
在本实施例中,计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D,具体计算公式为:
D=meancu-meancol (2)
其中,meancu表示当前帧CTU平均像素值,meancol表示参考帧同位平均像素值,NCU表示当前帧CTU的尺寸,Ncol表示参考帧同位CTU的尺寸,pCU(i,j)表示当前帧CTU在(i,j)位置上的像素值,pcol(i,j)表示参考帧同位CTU在(i,j)位置上的像素值;
在本实施例中,由于时域的相关性,当前帧CTU与参考帧同位CTU的纹理复杂度较为相似,通过两者的像素相似度的比较,能够更好的判断它们的相似程度,若当前帧CTU与参考帧同位CTU的像素相似度在所设定的阈值内,那么则认为两者的纹理复杂度非常相似,可以利用参考帧同位CTU的划分深度更好的预测当前帧CTU的深度范围;
(2)若差值小于阈值T1,则利用参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,若参考帧同位CTU能分割的最大深度是0,那么当前帧CTU遍历的最大深度也为0,若参考帧同位CTU能分割的最大深度是1或2,那么当前帧CTU遍历的最大深度也为1或2;
(3)差值大于等于阈值T1,小于阈值T2,则利用参考帧同位CTU的最大深度col_maxdepth与当前帧CTU的左侧CTU的最大深度left_maxdepth以及上侧CTU的最大深度above_maxdepth加权预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,否则,正常编码;
加权预测公式为:
其中,predict_depth代表当前帧CTU的加权预测值,M代表当前帧CTU的相邻CTU数目,本实施例中M取为3,ωi代表权值系数,且需满足公式(6),λi代表时空域相邻CTU的最大深度。本实施例利用当前帧CTU的左侧CTU、上方CTU、同位CTU对当前帧CTU预测和深度裁剪,同时对时域相邻的同位CTU赋予更大的权重,这是因为对于运动的视频图像,时域上的连续性更加明显,相关性更强,所以在本实施例中对其左侧CTU、上方CTU、同位CTU赋予的权值系数分别取0.3、0.3、0.4;
在本实施例中,由于考虑到纹理图的丰富纹理性和光照等变化,即使当前帧与参考帧在某一位置上主观效果基本相同,但仍会有几个像素点的变化(这种情况大部分存在于自然视频序列),所以阈值不能取0来表示相似,该部分在大量的实验基础上选择阈值5来表示相似,所以在本实施例中阈值T1取5;
本实施例基于多次实验的测试,若当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值在大于等于5且小于15的范围内,本实施例采用时空域加权深度预测算法继续预判CTU的深度范围,所以在本实施例中阈值T2取15;
在本实施例中,根据加权预测深度范围分类确定当前帧CTU能遍历的最大深度,如下表1所示:
表1当前帧CTU遍历最大深度对照表
即:
a.当predict_depth==L0,则定义当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax0;
b.当L0<predict_depth<L1,则定义当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax1;
c.当L1=<predict_depth<L2,则定义当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax2;
其中,L0、L1、L2代表predict_depth满足的阈值范围,在本实施例中的L0、L1、L2分别取0、1、2,Depthmax代表当前帧CTU能遍历的最大预测深度,本实施例中Depthmax0、Depthmax1、Depthmax2分别取0、1、2。
本实施例还提供一种适用于HEVC标准的帧间编码系统,包括:平均像素差值计算模块、阈值判断模块、预测模块和时空域加权预测模块;
在本实施例中,平均像素差值计算模块用于计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;
在本实施例中,阈值判断模块用于判断平均像素差值D是否满足阈值范围要求,若平均像素差值D满足:D<T1,则通过预测模块进行预测计算,若平均像素差值D满足:T1≤D<T2,则通过时空域加权预测模块进行预测计算;
在本实施例中,预测模块用于通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth;
在本实施例中,时空域加权预测模块用于采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。
在本实施例中,为了评估本实施例的性能,采用标准参考代码HM 16.9进行实验与验证,并将改进前后的实验结果进行对比分析,通过客观实验参数验证本实施例的有效性,测试条件及配置参数如下:
(1)硬件平台:Intel(R)-Core(TM)i5-2400CPU,主频为3.10GHz,内存为4.00GB;
(2)开发工具:Visual Studio 2012;
(3)实验配置结构:随机接入(Random Access,RA)结构;
(4)量化参数QP设置为22、27、32和37;
(5)测试序列:采用不同分辨率的标准测试序列。
实验结果采用联合比特率(BDBR)和联合峰值信噪比(BDPSNR)来比较码率节省百分比和视频编码质量,采用ΔT表示本实施例比原始模型在编码时间上的节省百分比,其公式为:
式中TProp表示本实施例的编码时间,THM表示原始模型的编码时间。
本实施例的实验结果如下表2所示,
表2实验结果
由上表可以看出,本实施例利用编码单元深度的时空相关性,对编码单元的深度范围进行决策具有较高的预判准确性。与原始HM16.9相比,本实施例在BDBR平均增加0.301%和BDPSNR平均减少0.012dB条件下,能够平均节省40%左右的编码时间。本实施例不仅大大降低了HEVC编码器的计算复杂度,同时保证了视频编码的质量,具有一定的实际意义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,包括下述步骤:
S1:确定当前帧CTU与参考帧同位CTU的位置,计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;
S2:若平均像素差值D满足:D<T1,则通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,若不满足,则执行下一步骤;
S3:若平均像素差值D满足:T1≤D<T2,采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,若不满足,则继续正常编码;
S4:根据当前帧CTU的加权预测值predict_depth预判当前帧CTU的深度范围,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。
2.根据权利要求1所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,步骤S1中所述计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D,具体计算公式为:
D=meancu-meancol;
其中,meancu表示当前帧CTU平均像素值,meancol表示参考帧同位平均像素值,NCU表示当前帧CTU的尺寸,Ncol表示参考帧同位CTU的尺寸,pCU(i,j)表示当前帧CTU在(i,j)位置上的像素值,pcol(i,j)表示参考帧同位CTU在(i,j)位置上的像素值。
3.根据权利要求1所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,步骤S3中所述采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,具体步骤为:通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth、当前帧CTU的左侧CTU的最大深度left_maxdepth以及当前帧CTU的上侧CTU的最大深度above_maxdepth加权预测当前帧CTU的加权预测值predict_depth。
4.根据权利要求3所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,所述时空域加权预测的计算公式为:
predict_depth=ω1*col_maxdepth+ω2*left_maxdepth+ω3*above_maxdepth;
其中,ωi代表权值系数,M代表当前帧CTU的相邻CTU数目。
5.根据权利要求4所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,将ω1设置为0.4,将ω2设置为0.3,将ω3设置为0.3。
6.根据权利要求1所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,将阈值T1设置为数值5,将阈值T2设置为数值15。
7.根据权利要求1所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,步骤S4中所述根据当前帧CTU的加权预测值predict_depth预判当前帧CTU的深度范围,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth,具体步骤为:
当predict_depth==L0,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax0;
当L0<predict_depth<L1,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax1;
当L1=<predict_depth<L2,则设置当前帧CTU能遍历的最大深度为Depthmax2;
其中,L0、L1、L2表示predict_depth满足的阈值范围,Depthmax代表当前帧CTU能遍历的最大预测深度。
8.根据权利要求7所述的适用于HEVC标准的帧间编码方法,其特征在于,将L0、L1、L2分别设置为0、1、2,将Depthmax0、Depthmax1、Depthmax2分别设置为0、1、2。
9.一种适用于HEVC标准的帧间编码系统,其特征在于,包括:平均像素差值计算模块、阈值判断模块、预测模块和时空域加权预测模块;
所述平均像素差值计算模块用于计算当前帧CTU与参考帧同位CTU的平均像素差值D;
所述阈值判断模块用于判断平均像素差值D是否满足阈值范围要求,若平均像素差值D满足:D<T1,则通过预测模块进行预测计算,若平均像素差值D满足:T1≤D<T2,则通过时空域加权预测模块进行预测计算;
所述预测模块用于通过参考帧同位CTU能分割的最大深度col_maxdepth预测当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth;
所述时空域加权预测模块用于采用时空域加权预测计算当前帧CTU的加权预测值predict_depth,确定当前帧CTU能遍历的最大深度cu_maxdepth。
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Legal Events
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191112 |