CN112822490B - 一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法 - Google Patents

一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，编码单元尺寸快速决策包括：基于GMSD的编码单元尺寸决策和基于JND的编码单元尺寸决策；本发明方法充分考虑视频编码的视觉特性，通过感知的CU尺寸快速决策来减少CU尺寸决策过程中的编码时间，使得视频编码在保持视频的主观质量几乎不变的条件下，能够在视频的主观质量几乎不变的条件下，加快编码单元尺寸决策，最终降低帧内编码的计算复杂度。

Description

一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法
技术领域
本发明属于信息技术领域，涉及视频编码技术，尤其涉及一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法。
背景技术
帧内编码是视频编码中的一项关键技术。目前主流编码工具采用了灵活的CU划分方法来处理不同的视频图像内容。如在AVS2、H.265等视频编码标准中，CU的尺寸最大为64×64，最小为8×8。首先，一帧图像被分割成多个64×64CU，然后64×64CU通过四叉树的深度优先遍历被递归地划分，直到它被划分为最小的CU。在CU四叉树的划分结束之后，叶节点的CU可以被进一步划分为PU。PU的划分方式为NxN、2Nx2N、0.5Nx2N、2Nx0.5N。此外，编码工具还有多种帧内预测模式。利用上述编码结构，帧内编码的性能显著升高，但复杂度急剧增加。
在参考文献[1]中记载了将局部边缘复杂度和全局边缘复杂度用于设置阈值以帮助判断编码单元的划分。当编码单元被认为纹理均匀时，划分过程提前终止；当编码单元被认为纹理复杂时，则直接被划分为更小的编码单元。其他情况下，进行原始的编码过程。上述方法只考虑在客观性能几乎不变的条件下减少编码时间，而不考虑主观性能。
参考文献[2]中记载了一种基于内容平坦度的快速编码单元尺寸决策算法。当编码单元被认为纹理均匀时，分裂过程提前终止；当编码单元被认为纹理复杂时，它直接被划分为更小的编码单元。其他情况下，进行原始编码过程。该方法只考虑在客观性能几乎不变的条件下减少编码时间，而不考虑主观性能。
综上，现有传统的CU尺寸快速决策算法只考虑在视频的客观质量几乎不变的条件下减少编码时间而不考虑主观质量。
参考文献：
[1]Min B,Cheung R C C.A Fast CU Size Decision Algorithm for the HEVCIntra Encoder[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for VideoTechnology,2015,25(5):892-896.
[2]Li J,Luo F,Zhou Y,et al.Content Based Fast Intra Coding for AVS2[C]//2017 IEEE Third International Conference on Multimedia Big Data(BigMM).IEEE Computer Society,2017.
[3]Wu J,Shi G,Lin W,et al.Enhanced just noticeable difference modelwith visual regularity consideration[C]//2016IEEE International Conference onAcoustics,Speech and Signal Processing(ICASSP).IEEE,2016.
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，在主观性能几乎不变的条件下获得更多的时间节省，从而降低帧内编码的计算复杂度。
本文中的缩略语和关键术语定义如下：
CU：coding unit,编码单元；
PU：prediction unit,预测单元；
GMSD:gradient magnitude similarity deviation,梯度幅度相似度偏差；
JND：just noticeable difference,恰可察觉失真。
本发明的核心是：当采用帧内编码方法进行视频编码时，通过感知的CU尺寸快速决策来减少CU尺寸决策过程中的编码时间，使得视频编码在保持视频的主观质量几乎不变的条件下，降低帧内编码的计算复杂度。
本发明提供的技术方案是：
一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，包括：基于GMSD的编码单元尺寸决策和基于JND的编码单元尺寸决策；包括如下步骤：
1)采用帧内编码方法进行视频编码，基于GMSD的CU尺寸进行快速决策；
11)采用GMSD模型来计算当前CU与其时空相邻CU的感知相关性，表示为式(1)：
Figure BDA0002274851680000021
其中，GMSD表示当前CU与其时空相邻CU的感知相关性；N是当前CU中的像素数，i表示像素位置，GMS是梯度幅度相似度，如公式(2)所示
Figure BDA0002274851680000022
其中，mr是当前编码单元的梯度，md是相邻编码单元的梯度，c是提供数值稳定性的正常数。
通过式(3)计算得到GMSM(梯度幅度相似度均值)：
Figure BDA0002274851680000023
12)确定与当前CU具有最大感知相似性的相邻CU，用于评估当前CU的划分标志；
考虑到一个视频中的CU具有感知的时间和空间相关性，当前CU通常在感知上与相邻CU相似。本发明通过与当前CU具有最大感知相似性的相邻CU来评估当前CU的划分标志。
13)通过设置GMSD的阈值TH，实现快速CU尺寸决策。
(1)首先，在遍历当前CU划分之前计算相邻CU与当前CU的感知相关性GMSD。选择它们中的最小值表示为GMSDmin，并将其与TH进行比较。
(2)如果GMSDmin小于等于TH，则意味着CU被认为在感知上与对应于GMSDmin的相邻CU相似，则从相邻CU获得当前CU的划分标志。
(3)如果GMSDmin大于TH，则当前CU进行进一步决策。
2)使用改进的像素域JND估计模型，进行基于JND的CU尺寸快速决策
21)计算得到方差，用于反映感知纹理一致性；
本发明使用改进的像素域JND估计模型(文献[3])计算得到方差，用于反映感知纹理一致性，该模型考虑了视觉掩蔽中内容一致性的影响，计算表示为式(4)：
JND(x，y)＝LA(x，y)+VM(x，y)-0.3·min{LA(x，y)，VM(x，y)} (4)
其中，JND(x，y)为恰可察觉失真；x和y代表像素位置，LA是亮度适应因子，VM是视觉掩蔽。
22)根据JND方差划分CU的深度；
由于CU的JND方差可以反映感知纹理一致性，较小的JND方差意味着CU的视觉特征分布更均匀，较大的JND方差意味着更丰富。当CU内的四个子CU(如图3所示，即当前CU经过四叉树划分得到的四个大小相同的较小的CU)的JND方差的差异很大时，这意味着对于人眼而言，子CU的感知特性变化很大。将它划分为下一个编码深度。
23)定义反映CU的感知特性的CU级的感知失真因子PF；
将CU级的感知失真因子定义为式(5)：
PF(d，k，i)＝log2(VJ(d，k，i))， (5)
其中，d是CU的深度，k和i是当前CU及其子CU的索引，VJ是其JND方差。
PF可以反映CU的感知特性，不同的PF意味着CU的感知失真是不同的。
24)定义在当前CU中的四个子CU的PF的最大差异DP，表示感知差异；
我们定义DP为在当前CU中的四个子CU的PF的最大差异，并用它表示感知差异，计算如下所示：
Figure BDA0002274851680000041
其中，m和n分别是子CU的索引。
25)设置DP的两个阈值TH1和TL1，其中TH1为上限，TL1为下限，对CU进行进一步的快速尺寸决策；
我们设置了DP的两个阈值TH1和TL1以实现不由GMSD决定是否划分的CU的进一步的快速尺寸决策。
(1)首先，在遍历CU划分之前计算DP。然后通过比较DP与TH1和TL1，将CU分类为感知纹理均匀、丰富或不能确定，如下所述。
(2)如果CU的DP小于TL1，则意味着CU的感知特征分布被认为是均匀的。然后划分过程提前终止。
(3)如果DP超过TH1，则CU的感知特征分布被分类为丰富，并且它被直接划分为更小的CU。当前CU的编码过程可以被跳过。
(4)否则，当前CU进行默认的编码过程而不进行任何修改。
综上，基于GMSD的CU尺寸决策模型和基于JND的CU尺寸决策模型进行视频编码，能够在视频的主观质量几乎不变的前提下减少编码时间，从而降低帧内编码的计算复杂度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，通过感知的CU尺寸快速决策来减少CU尺寸决策过程中的编码时间，使得视频编码在保持视频的主观质量几乎不变的条件下，降低帧内编码的计算复杂度。本发明采用了结合视觉特性的CU尺寸快速决策方案，即基于GMSD的CU尺寸快速决策和基于JND的CU尺寸快速决策；在基于GMSD的CU尺寸快速决策中，对于GMSD阈值以下的CU，其划分标志由和它具有最大的感知相似性的相邻CU决定；在基于JND的CU尺寸快速决策中，JND阈值以上的CU进一步划分，JND阈值以下的CU停止划分。采用本发明的技术方案，充分考虑视频编码的视觉特性，能够在视频的主观质量几乎不变的条件下，加快编码单元尺寸决策，最终降低帧内编码的计算复杂度。
附图说明
图1为本发明提供的感知编码单元尺寸快速决策的编码方法的流程框图。
图2为当前CU和它的时空相邻CU的关系示意图。
图3为当前CU和它的四个子CU的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，当采用帧内编码方法进行视频编码时，通过感知的CU尺寸快速决策来减少CU尺寸决策过程中的编码时间，使得视频编码在保持视频的主观质量几乎不变的条件下，降低帧内编码的计算复杂度。
具体实施时，针对未经压缩的视频数据，采用本发明提供的基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法进行编码，流程图如图1所示，包括：基于GMSD的编码单元尺寸决策和基于JND的编码单元尺寸决策两部分。具体如下：
1)基于GMSD的CU尺寸快速决策
GMSD模型是一种有效的图像质量评估(IQA)模型，它可以准确地比较两个视频图像的感知差异。我们可以用GMSD模型来计算当前CU与其时空相邻CU的感知相关性，其被描述为式(1)：
Figure BDA0002274851680000051
其中，N是当前CU中的像素数，i表示像素位置，GMS是梯度幅度相似度，如公式(2)所示：
Figure BDA0002274851680000052
其中，mr是当前编码单元的梯度，md是相邻编码单元的梯度，c是提供数值稳定性的正常数。
为了获得GMS的平均值，术语GMSM(梯度幅度相似度)的计算如下所示：
Figure BDA0002274851680000053
如图2中所示，CU1，CU2，CU3，CU4和CU5表示当前CU(CU0)的空间上相邻的CU，CU6表示前一帧中相同位置上的CU。考虑到一个视频中的CU具有感知的时间和空间相关性，当前CU通常在感知上与相邻CU相似。基于上面的分析，可以通过与当前CU具有最大感知相似性的相邻CU来评估当前CU的划分标志。因此我们提出了GMSD的阈值TH，以实现如下的快速CU尺寸决策。
(1)首先，在遍历当前CU划分之前计算具有上述六个CU与当前CU的GMSD。选择它们中的最小值表示为GMSDmin，并将其与TH进行比较。
(2)如果GMSDmin小于TH，则意味着CU被认为在感知上与对应于GMSDmin的相邻CU相似。从上述相邻CU获得当前CU的划分标志。
(3)如果GMSDmin大于TH，则当前CU的进一步决策将在稍后分析。
2)基于JND的CU尺寸快速决策
JND模型是人类视觉系统对视频图像信号的失真容限的度量。JND模型主要分为两类：像素域的JND模型和子带域的JND模型。我们使用的是改进的像素域JND估计模型[3]，该模型考虑了视觉掩蔽中内容一致性的影响，计算如下所示：
JND(x，y)＝LA(x，y)+VM(x，y)-0.3·min{LA(x，y)，VM(x，y)}， (4)
其中x和y代表像素位置，LA是亮度适应因子，VM是视觉掩蔽。更多细节可以在[3]中找到。
由于CU的JND方差可以反映感知纹理一致性，较小的JND方差意味着CU的视觉特征分布更均匀，较大的JND方差意味着更丰富。当CU内的四个子CU的JND方差的差异很大时，这意味着对于人眼而言，子CU的感知特性变化很大。所以我们应该直接将它划分为下一个编码深度。CU级的感知失真因子被定义为
PF(d，k，i)＝log2(VJ(d，k，i))， (5)
其中d是CU的深度，k和i是当前CU及其子CU的索引，VJ是其JND方差。
PF可以反映CU的感知特性，不同的PF意味着CU的感知失真是不同的。我们定义DP为在当前CU中的四个子CU的PF的最大差异，并用它表示感知差异，计算如下所示：
Figure BDA0002274851680000061
其中m和n分别是子CU的索引。
我们设置了DP的两个阈值TH1和TL1以实现不由GMSD决定是否划分的CU的进一步的快速尺寸决策。
(1)首先，在遍历CU划分之前计算DP。然后通过比较DP与TH1和TL1，将CU分类为感知纹理均匀、丰富或不能确定，如下所述。
(2)如果CU的DP小于TL1，则意味着CU的感知特征分布被认为是均匀的。然后划分过程提前终止。
(3)如果DP超过TH1，则CU的感知特征分布被分类为丰富，并且它被直接划分为更小的CU。当前CU的编码过程可以被跳过。
(4)否则，当前CU进行默认的编码过程而不进行任何修改。
综上，基于GMSD的CU尺寸决策模型和基于JND的CU尺寸决策模型，我们能够在视频的主观质量几乎不变的前提下减少编码时间，因而将有助于降低帧内编码的计算复杂度。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，所述编码单元尺寸快速决策包括：基于梯度幅度相似度偏差GMSD的编码单元尺寸决策和基于恰可察觉失真JND的编码单元尺寸决策；所述编码方法包括如下步骤：
1)采用帧内编码方法进行视频编码，基于GMSD的CU尺寸进行快速决策；执行如下操作：
11)采用GMSD模型计算当前CU与其时空相邻CU的感知相关性，表示为式(1)：
Figure FDA0003743995410000011
其中，N是当前CU中的像素数；i表示像素位置；GMS是梯度幅度相似度，表示为式(2)：
Figure FDA0003743995410000012
其中，mr是当前编码单元的梯度，md是相邻编码单元的梯度，c是提供数值稳定性的正常数；
通过式(3)计算得到梯度幅度相似度均值GMSM：
Figure FDA0003743995410000013
12)确定与当前CU具有最大感知相似性的相邻CU，用于评估当前CU的划分标志；
13)评估当前CU的划分标志：通过设置GMSD的阈值TH，实现快速CU尺寸决策；
2)使用改进的像素域JND估计模型进行基于JND的CU尺寸快速决策；
21)计算得到用于反映感知纹理一致性的JND方差；表示为式(4)：
JND(x,y)＝LA(x,y)+VM(x,y)-0.3·min{LA(x,y),VM(x,y)} (4)
其中，JND(x,y)为恰可察觉失真；x和y代表像素位置，LA是亮度适应因子，VM是视觉掩蔽；
22)根据JND方差划分CU的深度；
23)定义反映CU的感知特性的CU级的感知失真因子PF；表示为式(5):
PF(d,k,i)＝log2(VJ(d,k,i)) (5)
其中，d是CU的深度，k和i是当前CU及其子CU的索引，VJ是其JND方差；
24)计算在当前CU中的子CU的PF的最大差异DP，表示感知差异；
25)设置DP的上限阈值和下限阈值分别为TH1和TL1，对CU进行进一步的快速尺寸决策；
执行如下操作：
251)在遍历CU划分之前计算DP，通过比较DP与TH1和TL1，将CU分类为感知纹理均匀、丰富或不能确定：
252)如果CU的DP小于TL1，表示CU的感知特征分布分类为均匀，则划分过程提前终止；
253)如果DP超过TH1，表示CU的感知特征分布分类为丰富，并再直接划分为更小的CU，可跳过当前CU的编码过程；
254)否则，当前CU进行默认的编码过程而不进行任何修改；
通过上述步骤，实现基于GMSD的CU尺寸决策模型和基于JND的CU尺寸决策模型进行视频编码。
2.如权利要求1所述基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，其特征是，步骤13)评估当前CU的划分标志，具体执行如下操作：
131)在遍历当前CU划分之前计算相邻CU与当前CU的感知相关性GMSD，选择最小值表示为GMSDmin，并将其与TH进行比较；
132)如果GMSDmin小于等于TH，表示CU在感知上与对应于GMSDmin的相邻CU相似，则从相邻CU获得当前CU的划分标志；
133)如果GMSDmin大于TH，则当前CU进行进一步决策。
3.如权利要求1所述基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，其特征是，当前CU的子CU为四个；具体是将当前CU经过四叉树划分得到的四个大小相同的CU。
4.如权利要求3所述基于感知的帧内编码单元尺寸快速决策的编码方法，其特征是，步骤24)具体计算在当前CU中的四个子CU的PF的最大差异DP，表示为式(6)：
Figure FDA0003743995410000021
其中，m和n分别是子CU的索引。
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