CN111147867B - 一种多功能视频编码cu划分快速决策方法及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种多功能视频编码CU划分快速决策方法及存储介质，具体包括：计算编码帧中当前编码单元CU每个像素点的水平方向和竖直方向的梯度值；统计出当前CU所有像素点的水平方向和竖直方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和；依据总梯度值绝对值之和的大小，判断是否需要进行下一步深度划分，若不需要，则停止划分，如果需要，则比较水平梯度值绝对值和与竖直梯度值绝对值和的大小，判断出该CU的纹理方向，再根据该CU的纹理方向，跳过不必要的CU划分模式，从而实现CU划分快速决策。本发明能有效降低多功能视频编码的CU划分复杂度，减小视频编码器的编码时间，适用于实时性要求较高的视频编码应用场景中。

Description

一种多功能视频编码CU划分快速决策方法及存储介质
技术领域
本发明属于视频编码领域，更具体地说，一种多功能视频编码VVC(VersatileVideo Coding)中编码单元CU划分快速决策方法，可应用于实时性要求较高的 视频编码场景中。
背景技术
随着人们对高清晰度视频信息消费需求的日益增大、VR/AR产业的兴起， 新一代移动通信技术(如5G技术)的成熟和大规模建网，高清和超高清视频产 业迎来了历史性发展机遇。
为了尽可能保持视频帧中的细节，提升画面质量，高清和超高清视频采用 了高分辨率、高帧频、以及加大了量化比特数，这极大的增加了视频的数据量， 给视频数据的传输和存储带来了巨大的挑战。为有效压缩高清和超高清视频数 据量，MPEG和ITU共同开发了下一代(继HEVC之后)视频编解码器VVC， 其目标是在维持相同画质的前提下，比HEVC降低30％的编码输出比特率。
与HEVC视频编码标准相比，VVC新增了更复杂的混合树划分结构，即在 四叉树的基础上加入了水平二叉树、竖直二叉树、水平三叉树和竖直三叉树划 分，如图2所示。此外，VVC还统一了CU、PU和TU的概念，在对CTU进行 四叉树划分的基础上，将四叉树划分的叶节点作为进行二叉树和三叉树划分的 根节点，其CU的一个划分实例如图3所示。
在CU划分变得更复杂的基础上，VVC还添加了更多的编码工具和更多的 预测模式，以提高编码效率，比如AFFINE模式，IBC_MERGE模式，在帧内预 测模式中新增32种角度模式等。因此VVC编码器的复杂度大大增加，这不利 于VVC编码器在实时性要求较高场景下的应用与普及。因此，如何在保证视频 编码质量和编码效率的前提下，有效降低VVC编码复杂度，是目前的研究热点。
目前，VVC采用了复杂的混合树划分结构，导致CU划分判决过程复杂， 增加了视频的编码时间。如何在不影响VVC的编码效率情况下，找到一种快速 CU划分判决的方法，是提高VVC编码速度的有效措施。本发明通过预先判断 出CU的纹理方向，然后选择对应的划分模式，有效减少划分模式选择候选数量， 从而能实现CU划分的快速决策。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种多功能视频编码CU划分 快速决策方法及存储介质。本发明的技术方案如下：
一种多功能视频编码CU划分快速决策方法，其包括以下步骤：
101、获取多功能视频编码VVC的编码帧，并读取编码帧中当前编码单元 CU的划分深度，如果当前CU划分深度等于最大划分深度，停止划分；否则， 进行下一步骤；
102、采集当前编码单元CU中每个像素点的亮度值；
103、利用当前编码单元CU每个像素点的亮度值与相邻像素点的亮度值之 差，计算当前编码单元CU每个像素点的水平方向的梯度值和竖直方向的梯度值；
104、分别统计出当前编码单元CU中所有像素点的水平方向梯度值的绝对 值之和，以及竖直方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和；
105、比较总梯度值绝对值之和与阈值的大小，如果总梯度值绝对值之和小 于阈值，停止划分；否则，进行下一步骤；
106、跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式，建立当前CU 划分模式列表。
107、判断出当前CU的最佳划分模式；
108、转到步骤101，进行下一级的深度划分。
进一步的，所述步骤101中的CU划分深度值Depth等于四叉树深度值 QT_Depth与混合树深度值MT_Depth之和。CU划分模式分为四叉树划分与混 合树划分，其中混合树划分包括水平二叉树划分、竖直二叉树划分、水平三叉 树划分、竖直三叉树划分，混合树划分是在四叉树划分的基础上进行的。
进一步的，所述步骤103利用当前编码单元CU每个像素点的亮度值与相邻 像素点的亮度值之差，计算当前编码单元CU每个像素点的水平方向的梯度值和 竖直方向的梯度值，是指采用Sobel算子，或Laplacian算子计算出的像素点水 平方向梯度值和竖直方向梯度值，当采用Sobel算子时，通过公式(1)和(2) 可计算出(i,j)位置像素点的水平方向梯度值Gx(i,j)和竖直方向梯度值Gy(i,j)。
Gx(i,j)＝[p(i-1,j+1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i,j+1)-p(i,j-1)]+[p(i+1,j+1)-p(i+1,j-1)] (1)
Gy(i,j)＝[p(i+1,j-1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i+1,j)-p(i-1,j)]+[p(i+1,j+1)-p(i-1,j+1)] (2)
其中，i和j分别为该像素点在当前CU中的横坐标和纵坐标值；p(i,j)表示 当前CU中(i,j)处像素点的亮度值。
进一步的，所述步骤104分别统计出当前CU中所有像素点水平方向和竖直 方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和，具体包括：通过公式(3)、 公式(4)和公式(5)，分别计算出当前编码单元CU的水平方向的梯度值绝对值之 和Gx_total，竖直方向的梯度值绝对值之和Gy_total，以及两个方向的总梯度绝 对值之和Gtotal，公式(3)和公式(4)中的width是当前CU水平方向每一行像素点 的个数，height是当前CU竖直方向每一列像素点的个数；
Figure BDA0002324252140000031
Figure BDA0002324252140000032
Gtotal＝Gx_total+Gy_total (5)
进一步的，所述步骤105的阈值TH0是一个统计经验值，当采用Sobel算 子时，经大量的数据统计，TH0可通过公式(6)计算得到；
Figure BDA0002324252140000033
其中，bitdepth表示编码比特深度。
进一步的，所述步骤106跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模 式，建立当前CU划分模式列表，具体包括：通过判断当前CU混合树深度 MT_Depth是否为0，四叉树深度QT_Depth是否等于最大四叉树深度，以及该 CU的纹理方向这三个条件进行判断；如果当前CU混合树深度MT_Depth不为 0，或当前CU的QT_Depth等于最大四叉树深度，先判断当前CU的纹理方向， 再根据纹理方向，跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式；如果当 前CU混合树深度MT_Depth为0，且当前CU的QT_Depth小于最大四叉树深 度时，则将四叉树划分添加进CU的划分模式列表，然后再判断当前CU的纹理 方向，最后根据纹理方向，跳过不必要的CU划分模式。
进一步的，所述判断当前CU的纹理方向，是指比较Gx_total和Gy_total 值的大小，若Gx_total大于Gy_total，说明该CU的纹理方向为水平方向，否则 为竖直方向。
进一步的，所述根据纹理方向，跳过不必要的CU划分模式，是指如果该 CU的纹理方向为水平方向，则分别将水平二叉树划分和水平三叉树划分添加进 CU的划分模式列表，跳过竖直二叉树划分与竖直三叉树划分；如果判断该CU 的纹理方向为竖直方向，则分别将竖直二叉树划分，竖直三叉树划分添加进CU 的划分模式列表，跳过水平二叉树划分与水平三叉树划分。
进一步的，所述步骤107判断出当前CU的最佳划分模式，具体包括：遍历 CU的划分模式列表，选择RDcost最小的划分模式为最佳划分模式，并根据最 佳划分模式修改四叉树深度QT_Depth、混合树深度MT_Depth和总深度Depth 的值，若最佳划分模式是四叉树划分，QT_Depth和Depth都加1；如果最佳划 分模式是混合树划分，则MT_Depth和Depth都加1。
一种存储介质，该存储介质内部存储计算机程序，其所述计算机程序被处 理器读取时，执行上述任一项的方法。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过计算编码帧中当前编码单元(CU)每个像素点的水平方向和竖 直方向的梯度值，统计出所有像素点的水平方向和竖直方向上梯度值的绝对值 之和，以及总的梯度值绝对值之和；依据总梯度值绝对值之和的大小，判断是 否需要继续进行下一步深度划分。如果需要，则比较水平梯度值绝对值和与竖 直梯度值绝对值和的大小，判断该CU的纹理方向，根据该CU的纹理方向，跳 过不必要的CU划分模式，从而实现CU划分快速决策。本发明在保证视频质量 基本不变，编码输出比特率增加不多的情况下，能有效降低多功能视频编码的 CU划分复杂度，减小编码时间，适用于实时性要求较高的视频编码应用场景中。
VVC为了实现对高清视频数据的压缩，提出了复杂的混合树划分结构，设计 了6种划分模式。采用本发明可实现CU划分的快速决策，对VVC中的任一种 编码模式都具有加速效果，既能通过当前CU的纹理特征，提前终止CU划分， 也能通过CU纹理方向选择对应的划分模式，有效减少划分模式选择候选数量， 提高了视频编码的速度。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例一种多功能视频编码CU划分快速决策方法及 存储介质实现流程图；
图2VVC中混合树划分示意图；
图3VVC中一个CU划分实例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
图1为本发明中一种多功能视频编码CU划分快速决策方法及存储介质示意 图，本发明所述方法包括以下步骤：
步骤101：读取编码帧中当前编码单元CU划分深度，如果当前CU划分深 度等于最大划分深度，停止划分；否则，进行下一步骤。
步骤102：采集当前CU每个像素点的亮度值。
步骤103：利用当前编码单元CU每个像素点的亮度值与相邻像素点的亮度 值之差，计算当前编码单元CU每个像素点的水平方向的梯度值和竖直方向的梯 度值。
具体可以为：对于图像像素的梯度值，可以采用Sobel算子，或Laplacian 算子进行计算。下面以Sobel算子为例，通过公式(1)和(2)可计算出(i,j)位 置像素点的水平方向梯度值Gx(i,j)和竖直方向梯度值Gy(i,j)。
Gx(i,j)＝[p(i-1,j+1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i,j+1)-p(i,j-1)]+[p(i+1,j+1)-p(i+1,j-1)] (1)
Gy(i,j)＝[p(i+1,j-1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i+1,j)-p(i-1,j)]+[p(i+1,j+1)-p(i-1,j+1)] (2)
其中，i和j分别为该像素点在当前CU中的横坐标和纵坐标值；p(i,j)表示 当前CU中(i,j)处像素点的亮度值。
步骤104：分别统计出当前CU中所有像素点的水平方向梯度值的绝对值之 和，竖直方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和。
具体可以为：通过公式(3)，计算当前编码CU水平方向的梯度值绝对值之 和Gx_total；通过公式(4)，计算当前编码CU竖直方向的梯度值绝对值之和 Gy_total；通过公式(5)，计算当前编码CU水平与竖直两个方向的总梯度绝对值 之和Gtotal。公式(3)和(4)中的width和height分别是当前CU水平方向每一行像 素点的个数和竖直方向每一列像素点的个数。
Figure BDA0002324252140000061
Figure BDA0002324252140000062
Gtotal＝Gx_total+Gy_total (5)
步骤105：比较总梯度值绝对值之和与阈值的大小，如果总梯度值绝对值之 和小于阈值，停止划分；否则，进行下一步骤。
具体可以为：这里的阈值(TH0)是一个统计经验值，以Sobel算子为例， 经大量的数据统计，TH0可通过公式(6)计算得到。
Figure BDA0002324252140000063
公式(6)中的bitdepth表示编码比特深度。
步骤106：跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式，建立当前 CU划分模式列表。
具体可以为：如果当前CU的混合树深度值MT_Depth不为0，或当前CU 的四叉树深度值QT_Depth等于最大四叉树深度，则先判断当前CU的纹理方向； 如果当前CU的混合树深度值MT_Depth为0，且当前CU的四叉树深度值 QT_Depth小于最大四叉树深度时，则先将四叉树划分添加进CU的划分模式列 表，然后再判断当前CU的纹理方向。
比较Gx_total和Gy_total值的大小，若Gx_total大于Gy_total，说明该CU 的纹理方向为水平方向，分别将水平二叉树划分和水平三叉树划分添加进CU的 划分模式列表中，跳过竖直二叉树划分与竖直三叉树划分；否则该CU纹理方向 为竖直方向，分别将竖直二叉树划分，竖直三叉树划分添加进CU的划分模式列 表，跳过水平二叉树划分与水平三叉树划分。
步骤107：判断出当前CU的最佳划分模式。
具体可以为：遍历CU的划分模式列表，选择RDcost最小的划分模式为最 佳划分模式。根据最佳划分模式修改四叉树深度QT_Depth、混合树深度 MT_Depth和总深度Depth值。若最佳划分模式是四叉树划分则QT_Depth和 Depth都加1；最佳划分模式是混合树划分则MT_Depth和Depth都加1。
步骤108：转到步骤101，进行下一级的深度划分。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种多功能视频编码CU划分快速决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
101、获取多功能视频编码VVC的编码帧，并读取编码帧中当前编码单元CU的划分深度，如果当前CU划分深度等于最大划分深度，停止划分；否则，进行下一步骤；
102、采集当前编码单元CU中每个像素点的亮度值；
103、利用当前编码单元CU每个像素点的亮度值与其相邻像素点的亮度值之差，计算当前编码单元CU每个像素点的水平方向的梯度值和竖直方向的梯度值；
104、分别统计出当前编码单元CU中所有像素点的水平方向梯度值的绝对值之和，以及竖直方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和；
105、比较总梯度值绝对值之和与阈值的大小，如果总梯度值绝对值之和小于阈值，停止划分；否则，进行下一步骤；
106、跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式，建立当前CU划分模式列表；
107、判断出当前CU的最佳划分模式；
108、转到步骤101，进行下一级的深度划分；
所述步骤101中的CU划分深度值Depth等于四叉树深度值QT_Depth与混合树深度值MT_Depth之和，CU划分模式分为四叉树划分与混合树划分，其中混合树划分包括水平二叉树划分、竖直二叉树划分、水平三叉树划分和竖直三叉树划分，混合树划分是在四叉树划分的基础上进行的；
所述步骤105的阈值TH0是一个统计经验值，当采用Sobel算子时，经大量的数据统计，TH0可通过公式(6)计算得到；
Figure FDA0003810555760000011
其中，bitdepth表示编码比特深度值；width是当前CU水平方向每一行像素点的个数，height是当前CU竖直方向每一列像素点的个数；所述步骤106跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式，建立当前CU划分模式列表，具体包括：通过判断当前CU混合树深度MT_Depth是否为0，四叉树深度QT_Depth是否等于最大四叉树深度，以及该CU的纹理方向这三个条件进行判断；如果当前CU混合树深度MT_Depth不为0，或当前CU的QT_Depth等于最大四叉树深度，先判断当前CU的纹理方向，再根据纹理方向，跳过划分方向与当前CU纹理方向不一致的划分模式；如果当前CU混合树深度MT_Depth为0，且当前CU的QT_Depth小于最大四叉树深度时，则将四叉树划分添加进CU的划分模式列表，然后再判断当前CU的纹理方向，最后根据纹理方向，跳过不必要的CU划分模式；
所述判断当前CU的纹理方向，是指比较Gx_total值和Gy_total值的大小，若Gx_total大于Gy_total，说明该CU的纹理方向为水平方向，否则为竖直方向；所述根据纹理方向，跳过不必要的CU划分模式，是指如果该CU的纹理方向为水平方向，则分别将水平二叉树划分和水平三叉树划分添加进CU的划分模式列表，跳过竖直二叉树划分与竖直三叉树划分；如果判断该CU的纹理方向为竖直方向，则分别将竖直二叉树划分，竖直三叉树划分添加进CU的划分模式列表，跳过水平二叉树划分与水平三叉树划分；Gx_total表示当前编码单元CU的水平方向的梯度值绝对值之和，Gy_total表示当前编码单元CU的竖直方向的梯度值绝对值之和；
所述步骤107判断出当前CU的最佳划分模式，具体包括：遍历CU的划分模式列表，选择RDcost最小的划分模式为最佳划分模式，并根据最佳划分模式修改四叉树深度QT_Depth、混合树深度MT_Depth和总深度Depth的值，若最佳划分模式是四叉树划分，QT_Depth和Depth都加1；如果最佳划分模式是混合树划分，则MT_Depth和Depth都加1。
2.根据权利要求1所述的一种多功能视频编码CU划分快速决策方法，其特征在于，所述步骤103利用当前编码单元CU每个像素点的亮度值与相邻像素点的亮度值之差，计算当前编码单元CU每个像素点的水平方向的梯度值和竖直方向的梯度值，是指采用Sobel算子，或Laplacian算子计算出的像素点水平方向梯度值和竖直方向梯度值，当采用Sobel算子时，通过公式(1)和(2)可计算出(i,j)位置像素点的水平方向梯度值Gx(i,j)和竖直方向梯度值Gy(i,j)，
Gx(i,j)＝[p(i-1,j+1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i,j+1)-p(i,j-1)]+[p(i+1,j+1)-p(i+1,j-1)] (1)
Gy(i,j)＝[p(i+1,j-1)-p(i-1,j-1)]+2[p(i+1,j)-p(i-1,j)]+[p(i+1,j+1)-p(i-1,j+1)] (2)
其中，i和j分别为像素点在当前CU中的横坐标值和纵坐标值；p(i,j)表示当前CU中(i,j)处像素点的亮度值。
3.根据权利要求2所述的一种多功能视频编码CU划分快速决策方法，其特征在于，所述步骤104分别统计出当前CU中所有像素点水平方向和竖直方向上梯度值的绝对值之和，以及总梯度值绝对值之和，具体包括：通过公式(3)、公式(4)和公式(5)，分别计算出当前编码单元CU的水平方向的梯度值绝对值之和Gx_total，竖直方向的梯度值绝对值之和Gy_total，以及两个方向的总梯度绝对值之和Gtotal，公式(3)和公式(4)中的width是当前CU水平方向每一行像素点的个数，height是当前CU竖直方向每一列像素点的个数；
Figure FDA0003810555760000031
Figure FDA0003810555760000032
Gtotal＝Gx_total+Gy_total (5)。
4.一种存储介质，该存储介质内部存储计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器读取时，执行上述权利要求1～3任一项的方法。
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