CN110581990B - 一种适用于hevc 4k和8k超高清编码的tu递归快速算法 - Google Patents

一种适用于hevc 4k和8k超高清编码的tu递归快速算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法。它具体包括如下步骤：对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变化量化后的残差系数总和；计算纹理特性，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度来判定当前变换单元TU的纹理特性；统计变换后的高频系数数量；如果残差系数总和为零或者纹理特性比较简单或者高频系数很少或者当前变换单元TU的尺寸小于8x8，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分；否则比较当前变换单元TU的编码代价和4个子变换单元SUBTU的编码代价选择其中编码代价更小者，同时对4个子变换单元SUBTU继续四叉树向下划分，直到选出最小的编码代价。本发明的有益效果是：节省编码时间，保证主观质量。

Description

一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法
技术领域
本发明涉及视频编码相关技术领域，尤其是指一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法。
背景技术
HEVC是2013年由国际电信联盟(ITU-T)发布的最新一代的视频编码标准，相比上一代编码标准H264，HEVC的压缩效率提升了一倍，能大大降低目前正在普及的4K超高清视频的码率，减少带宽消耗。
8K分辨率是一种数字视频标准。2012年8月23日，联合国旗下的国际电讯联盟通过以日本NHK电视台所建议的7680x4320解像度作为国际的8K超高画质电视(SHV)标准，SHV作为超越现行数字电视的“超高精细影像系统”，以超高的分辨率代码超清的画质，具有广阔的应用前景。
为了适应更高分辨率的视频的压缩，HEVC采用了基于四叉树的块划分结构，这种结构允许采用更大的块及对块进行更灵活的划分来提高压缩效率。具体来说：1、HEVC最大允许64x64的编码单元(LCU，Largest Coding Unit)。2、HEVC对编码单元进行四叉树划分成更小的编码单元(CU，Coding Unit)，而且最小的编码单元可以小到8x8。3、对HEVC来说，在正方形的编码单元内部，可以进一步划分成不同形状的预测单元(Prediction Unit，PU)和变换单元(TransformUnit，TU)。4、对HEVCTU同样采用了四叉树的块划分结构，允许最大变换单元为32x32，最小变换单元为4x4。5、HEVC为了提升压缩效率采用了最大32x32的变换单元，但是越大的TU越容易包含图像边界，当对包含图像边界的TU进行变换的时候非常容易在图像边界引入噪点，因此HEVC引入了TU递归，允许对当前TU做多个更小尺寸的变换，极大的改善了图像边界的噪点。在8K分辨率下，大尺寸的CU会更加容易被选中，因此也更容易引入噪点，而8K视频往往对画面质量要求比较高。但是对每一层TU都做四叉树递归，也会极大的提升编码复杂度，因此对TU递归的优化就变得尤为重要。
HEVC编码器采用率失真优化(RDO)来选择最优的编码单元和预测单元。率失真优化是根据编码失真和编码后比特数来计算编码代价RDCost，公式表达为RDCost＝D+lambda*R。其中D为编码失真，一般将解码后的重建图像与原始图像之间的差值平方和SSD(Sum of Squared Difference)作为失真度量；R为编码后比特数；lambda是与量化参数QP正相关的拉格朗日常数。编码器比较不同尺寸的编码单元或者不同的预测单元之间的编码代价，选择代价最小的作为最终模式，从而达到最高的压缩效率。
目前业内普遍采用BDRate指标来衡量不同编码器压缩效率的差别。BDRate是在相同的图像客观质量下，编码码率的增加或节省的幅度。图像客观质量一般利用解码后重建图像与原始图像之间的峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)来衡量。
HEVC由于采用了最大64x64的CU和32x32的TU作为编码单元，相比于前一代H264只有8x8和4x4的变换单元，当其遇到图像边界时无法避免的在图像边界引入大量噪点。尤其在人物边界和大量图像背景共存视频中，一般的模式选择非常容易选择32x32或者16x16的大块作为变换单元，此时在中低码率下，在图像人物的边缘就会引入大量的噪点，极大的影响主观质量。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种主观质量高的适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法，具体包括如下步骤：
(1)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变化量化后的残差系数总和；
(2)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算纹理特性，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度来判定当前变换单元TU的纹理特性；
(3)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU统计变换后的高频系数数量；
(4)如果当前变换单元TU变换量化后的残差系数总和为零或者当前变换单元TU的纹理特性比较简单或者当前变换单元TU变换后的高频系数很少或者当前变换单元TU的尺寸小于8x8，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分；
(5)如果步骤(4)的条件不满足，则将当前变换单元TU按四叉树划分成4个子变换单元SUBTU，当4个子变换单元SUBTU都计算完编码代价后，比较当前变换单元TU的编码代价和4个子变换单元SUBTU的编码代价总和，选择其中编码代价更小者，对于每一个子变换单元SUBTU重复步骤(1)到步骤(5)的计算，直到选出最小的编码代价。
当使用TU递归的时候，变换单元就可以减小到8x8或者4x4，这时就可以极大的减少对图像边界变换引起的噪点，提升图像质量。但是引入TU递归对于编码复杂度影响极大。对每一个CU都做一次完整的TU递归，会使编码复杂度提升50％以上。因此降低TU递归的复杂度变得尤为重要，本发明提出的快速算法，可以提前终止TU递归，极大的降低了TU递归的编码复杂度。本发明的创新之处在于当计算完TU的编码代价之后，对当前TU的纹理和高频系数进行分析，如果纹理简单或者高频系数少或者量化系数为零，则不再继续向下划分TU。本发明具有很高的判断准确度，可大大节省HEVC TU递归的编码时间，同时保证较高的主观质量，对编码器的优化具有很高的实际意义。
作为优选，在步骤(4)中，对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变换量化后的三个YUV分量的残差系数总和NumCoefY、NumCoefU、NumCoefV，如果三个YUV分量的残差系数总和都是零，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分。
作为优选，在步骤(4)中，对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算完编码代价后，计算当前变换单元TU的方差A0作为当前变换单元TU的块纹理，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度A1，如果A0<thr0并且A1<thr1，则认为纹理比较简单没有图像边界，因此当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr0、thr1为预先设定的与块大小相关的阈值。
作为优选，在步骤(4)中，对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU做完变换后，统计当前变换单元TU变换后的高频系数数量M，如果M<thr2，则认为图像纹理比较简单没有图像边界，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr2为预先设定的与块大小相关的阈值。
本发明的有益效果是：具有很高的判断准确度，可大大节省HEVC TU递归的编码时间，同时保证较高的主观质量，对编码器的优化具有很高的实际意义。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法，具体包括如下步骤：
(1)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变化量化后的残差系数总和；
(2)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算纹理特性，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度来判定当前变换单元TU的纹理特性；
(3)对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU统计变换后的高频系数数量；
(4)如果当前变换单元TU变换量化后的残差系数总和为零或者当前变换单元TU的纹理特性比较简单或者当前变换单元TU变换后的高频系数很少或者当前变换单元TU的尺寸小于8x8，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分；
对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变换量化后的三个YUV分量的残差系数总和NumCoefY、NumCoefU、NumCoefV，如果三个YUV分量的残差系数总和都是零，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分；
对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算完编码代价后，计算当前变换单元TU的方差A0作为当前变换单元TU的块纹理，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度A1，如果A0<thr0并且A1<thr1，则认为纹理比较简单没有图像边界，因此当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr0、thr1为预先设定的与块大小相关的阈；
对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU做完变换后，统计当前变换单元TU变换后的高频系数数量M，如果M<thr2，则认为图像纹理比较简单没有图像边界，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr2为预先设定的与块大小相关的阈值；
(5)如果步骤(4)的条件不满足，则将当前变换单元TU按四叉树划分成4个子变换单元SUBTU，当4个子变换单元SUBTU都计算完编码代价后，比较当前变换单元TU的编码代价和4个子变换单元SUBTU的编码代价总和，选择其中编码代价更小者，对于每一个子变换单元SUBTU重复步骤(1)到步骤(5)的计算，直到选出最小的编码代价。
当使用TU递归的时候，变换单元就可以减小到8x8或者4x4，这时就可以极大的减少对图像边界变换引起的噪点，提升图像质量。但是引入TU递归对于编码复杂度影响极大。对每一个CU都做一次完整的TU递归，会使编码复杂度提升50％以上。因此降低TU递归的复杂度变得尤为重要，本发明提出的快速算法，可以提前终止TU递归，极大的降低了TU递归的编码复杂度。本发明的创新之处在于当计算完TU的编码代价之后，对当前TU的纹理和高频系数进行分析，如果纹理简单或者高频系数少或者量化系数为零，则不再继续向下划分TU。本发明具有很高的判断准确度，可大大节省HEVC TU递归的编码时间，同时保证较高的主观质量，对编码器的优化具有很高的实际意义。将本发明应HEVC的参考软件中，同时开启TU递归的情况下，在主观质量非常接近的情况下，对TU递归的编码时间平均节省50％左右，而且在相同的图像客观质量下，码率增加小于0.1％。

Claims (2)

1.一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法，其特征是，具体包括如下步骤：
（1）对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变化量化后的残差系数总和；
（2）对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算纹理特性，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度来判定当前变换单元TU的纹理特性；
（3）对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU统计变换后的高频系数数量；
（4）如果当前变换单元TU变换量化后的残差系数总和为零或者当前变换单元TU的纹理特性比较简单或者当前变换单元TU变换后的高频系数很少或者当前变换单元TU的尺寸小于8x8，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分；具体为：对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算完编码代价后，计算当前变换单元TU的方差A0作为当前变换单元TU的块纹理，结合预分析中已经计算过的当前块复杂度A1，如果A0< thr0并且 A1<thr1，则认为纹理比较简单没有图像边界，因此当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr0、thr1为预先设定的与块大小相关的阈值；对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU做完变换后，统计当前变换单元TU变换后的高频系数数量M，如果M < thr2，则认为图像纹理比较简单没有图像边界，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分，thr2为预先设定的与块大小相关的阈值；
（5）如果步骤（4）的条件不满足，则将当前变换单元TU按四叉树划分成4个子变换单元SUBTU，当4个子变换单元SUBTU都计算完编码代价后，比较当前变换单元TU的编码代价和4个子变换单元SUBTU的编码代价总和，选择其中编码代价更小者，对于每一个子变换单元SUBTU重复步骤（1）到步骤（5）的计算，直到选出最小的编码代价。
2.根据权利要求1所述的一种适用于HEVC 4K和8K超高清编码的TU递归快速算法，其特征是，在步骤（4）中，对HEVC编码模式选择中的每一个变换单元TU计算编码代价，以及变换量化后的三个YUV分量的残差系数总和NumCoefY、NumCoefU、NumCoefV，如果三个YUV分量的残差系数总和都是零，则当前变换单元TU停止四叉树递归划分。
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