CN114222124A - 一种编解码方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种编解码方法及设备方法，所述编码方法包括以下特征：步骤S1.获取待编码的视频帧，并根据前后帧间的关系判断是否为关键帧；步骤S2.如果当前帧为关键帧，做好标记1，写入码头，并确定出第一图像和第二图像，进行像素级标注；将所述关键帧确定的第一图像、第二图像及其对应的标注信息输入至深度神经网络，提取多级语义特征；对所述多级语义特征进行编码，生成不同层级的码流；步骤S3.如果当前帧为非关键帧，做好标记0，写入码头；则直接计算所述非关键帧与其左相邻关键帧的残差，并进行残差编码，生成残差码流信息。本发明的编解码方法利用关键帧判断以及深度神经网络，降低了编解码的成本，并且具有高度的灵活性。

Description

一种编解码方法及设备

技术领域

本发明涉及编解码领域，尤其涉及一种编解码方法及设备，能够对视频帧进行高效的编解码。

背景技术

人们对于视频质量的需求与日俱增，然而视频的数据量往往较大，存储和传输视频的硬件资源有限，成本较高，对视频进行编码压缩就显得尤为重要。这项技术深刻影响着人们生活的方方面面，包括数字电视、电影、网络视频、移动视频直播等等。

为了达到节约空间的目的，视频图像都是经过编码后才传输的，完整的视频编码方法可以包括预测、变换、量化、熵编码、滤波等过程。其中，预测编码可以包括帧内编码和帧间编码。进一步的，帧间编码是利用视频时间域的相关性，使用邻近已编码图像的像素预测当前像素，以达到有效去除视频时域冗余的目的。此外，帧内编码是指利用视频空间域的相关性，使用当前帧图像的已经编码块的像素预测当前像素，以达到去除视频空域冗余的目的。

传统的帧内预测方法，基于自然图像中的纹理往往具有方向性这一假设，使用预定义的几个固定方向模式，在预测时，采用已编码块中与待编码快最邻近的一行像素作为参考像素。枚举地尝试每一个方向，选择编码代价最少的一个模式，编入码流中。该预测方法有效地减少了编码码率。然而，该方法存在缺点。一方面，该方法仅仅使用单行像素作为参考，在低码率高噪声的情形中，单行像素中的噪声会严重影响预测的准确度。

现有技术中还有一种编码方法，基于变换量化的编码方法，使用时频变换将图像映射到频域，选择性地减少图像中人类难以察觉的高频信息，能够在少量牺牲视觉质量的情况下，大大减小视频传输的码率，也减少了视频传输的体积。进一步地，由于视频两帧之间有着非常大的相关性和信息冗余，在一帧之内，块与块之间也有很大的纹理连续性，因此在现代编码器中，会使用帧间和帧内预测的方法，来进一步减小视频码率。

上述编码方式编码效率不高，适应性能力不足，因此亟需提供一种高效的视频编码方案，能够高效的进行编解码，适应于不同的编码环境。

主要创新点：

1.本申请在进行编码时首先进行关键帧的判断，对关键帧和非关键帧采用不同的编码方式生成不同的码流，以提高编码效率。

2.本申请针对不用的解码需求，可对应在编码时生成不同层级的语义特征，以进行编码生成不同层级的码流，提高自适应能力。

3.本申请采用独创的深度神经网络，能够提取不同的层级语义特征，借助所采用的惩罚函数及激励函数，不断优化网络模型，使得提取的层级语义特征准确而不允许，满足不同用户的带宽需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种编码方法，所述方法包括以下特征：

步骤S1.获取待编码的视频帧，并根据前后帧间的关系判断是否为关键帧；

步骤S2.如果当前帧为关键帧，做好标记1，写入码头，并确定出第一图像和第二图像，进行像素级标注；将所述关键帧确定的第一图像、第二图像及其对应的标注信息输入至深度神经网络，提取多级语义特征；对所述多级语义特征进行编码，生成不同层级的码流；

步骤S3.如果当前帧为非关键帧，做好标记0，写入码头；则直接计算所述非关键帧与其左相邻关键帧的残差，并进行残差编码，生成残差码流信息。

可选的，所述步骤S1通过帧间物体的光流信息进行关键帧判断。

可选的，所述步骤S2中的所述第一图像和第二图像为前景图像和背景图像。

可选的，所述步骤S2中的多级语义特征包括：超高级语义特征、高级语义特征、中级语义特征以及低级语义特征。

可选的，所述步骤S2中的多级语义特征的编码层级取决于解码时的视频清晰度，所述视频清晰度为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

可选的，所述步骤S3中的编码方式为VVC编码。

相应的，本发明还提出了一种编码设备，所述编码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行如权利要求上述任一项所述的编码方法。

为解决上述问题，本发明还提出了一种解码方法，所述方法包括以下步骤：

步骤T1.获取待解码的视频帧，并根据码头标记判断是否为关键帧；

步骤T2.如果待解码的视频帧为关键帧，则根据用户选择的解码方式进行码流的重构，生成对应的关键帧视频；

步骤T3.如果待解码的视频帧为非关键帧，则根据用户选择的解码方式，基于其左相邻的关键帧以及残差信息对应的码流进行码流的重构，生成对应的非关键帧视频。

可选的，所述用户选择解码方式分为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

相应的，本发明还提出了一种解码设备，所述解码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行上述任一项所述的解码方法。

本申请还提出了一种计算机存储介质，所述存储介质存储有计算机程序指令，所述程序指令用于运行所述任一项所述的方案。

附图说明

图1是本发明的主要逻辑流程图。

具体实施方式

深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，它模仿人脑的机制来解释数据，例如图像，声音和文本。

同机器学习方法一样，深度机器学习方法也有监督学习与无监督学习之分.不同的学习框架下建立的学习模型很是不同.例如，卷积神经网络(Convolutional neuralnetworks，简称 CNNs)就是一种深度的监督学习下的机器学习模型，而深度置信网(DeepBelief Nets，简称 DBNs)就是一种无监督学习下的机器学习模型。

卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络(Feedforward Neural Networks)，是深度学习(deeplearning) 的代表算法之一。

深度卷积神经网络DCNN,则是具有多个CNN层的网络结构。

深度神经网络中经常采用的激励函数如下：sigmoid函数，tanh函数，ReLU函数。

sigmoid函数，该函数是将取值为(-∞,+∞)的数映射到(0,1)之间。sigmoid函数的公式如下：

sigmoid函数作为非线性激活函数，但是其并不被经常使用，它具有以下几个缺点：当 z值非常大或者非常小时，sigmoid函数的导数g′(z)将接近0。这会导致权重W的梯度将接近0，使得梯度更新十分缓慢，即梯度消失。

tanh函数，tanh函数相较于sigmoid函数要常见一些，该函数是将取值为(-∞,+∞) 的数映射到(-1,1)之间，其公式为：

tanh函数在0附近很短一段区域内可看做线性的。由于tanh函数均值为0，因此弥补了sigmoid函数均值为0.5的缺点。

ReLU函数，ReLU函数又称为修正线性单元(Rectified Linear Unit)，是一种分段线性函数，其弥补了sigmoid函数以及tanh函数的梯度消失问题。ReLU函数的公式如下：

ReLU函数的优点：

(1)在输入为正数的时候(对于大多数输入z空间来说)，不存在梯度消失问题。

(2)计算速度要快很多。ReLU函数只有线性关系，不管是前向传播还是反向传播，都比sigmod和tanh要快很多。

ReLU函数的缺点：

(1)当输入为负时，梯度为0，会产生梯度消失问题。

在本领域技术人员能够理解上述基本概念及常规操作方式的基础上，如图1所述，为解决上述问题，提出一种编码方法：

步骤S1.获取待编码的视频帧，并根据前后帧间的关系判断是否为关键帧；

步骤S2.如果当前帧为关键帧，做好标记1，写入码头，并确定出第一图像和第二图像，进行像素级标注；将所述关键帧确定的第一图像、第二图像及其对应的标注信息输入至深度神经网络，提取多级语义特征；对所述多级语义特征进行编码，生成不同层级的码流；

步骤S3.如果当前帧为非关键帧，做好标记0，写入码头；则直接计算所述非关键帧与其左相邻关键帧的残差，并进行残差编码，生成残差码流信息。

可选的，所述深度神经网络为DCNN网络，包括输入层、多个隐含层、以及一个输出层，所述输入层信息来自信息采集单元；所述多个隐含层包括一个或多个卷积层、一个或多个池化层以及一个全连接层。

可选的，所述池化层的池化方法如下：

x^e＝f(1-φ(u^e))

u^e＝w^eφ(x^e-1)；

其中，x^e表示当前层的输出，u^e表示惩罚函数φ的输入，w^e表示当前层的权重，φ表示惩罚函数，x^e-1表示上一层的输出。

可选的，所述隐含层设置有惩罚函数，所述惩罚函数；

N表示所述样本数据集的大小，i取值1～N，yi表示样本xi对应的标签；Q_yi表示样本xi 在其标签yi处的权重，M_yi表示样本xi在其标签yi处的偏差，M_j表示输出节点j处的偏差；θ_j,i为样本xi与其对应标签yi的权重夹角。

可选的，所述隐含层包含有激励函数，所述激励函数为：

其中，θ_yi表示为样本xi与其对应标签yi的向量夹角；所述N表示训练样本个数；W_yi表示当前节点的权重。

可选的，所述步骤S1通过帧间物体的光流信息进行关键帧判断。

可选的，所述步骤S2中的所述第一图像和第二图像为前景图像和背景图像。

可选的，所述步骤S2中的多级语义特征包括：超高级语义特征、高级语义特征、中级语义特征以及低级语义特征。

可选的，所述步骤S2中的多级语义特征的编码层级取决于解码时的视频清晰度，所述视频清晰度为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

可选的，所述步骤S3中的编码方式为VVC编码，也可选其它有损编码或无损编码方式。

相应的，本发明还提出了一种编码设备，所述编码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行如权利要求上述任一项所述的编码方法。

为解决上述问题，本发明还提出了一种解码方法，所述方法包括以下步骤：

步骤T1.获取待解码的视频帧，并根据码头标记判断是否为关键帧；

步骤T2.如果待解码的视频帧为关键帧，则根据用户选择的解码方式进行码流的重构，生成对应的关键帧视频；

步骤T3.如果待解码的视频帧为非关键帧，则根据用户选择的解码方式，基于其左相邻的关键帧以及残差信息对应的码流进行码流的重构，生成对应的非关键帧视频。

可选的，所述用户选择解码方式分为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

相应的，本发明还提出了一种解码设备，所述解码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行上述任一项所述的解码方法。

本申请还提出了一种计算机存储介质，所述存储介质存储有计算机程序指令，所述程序指令用于运行所述任一项所述的方案。

Claims (10)

1.一种编码方法，所述方法包括以下特征：

步骤S1.获取待编码的视频帧，并根据前后帧间的关系判断是否为关键帧；

步骤S2.如果当前帧为关键帧，做好标记1，写入码头，并确定出第一图像和第二图像，进行像素级标注；将所述关键帧确定的第一图像、第二图像及其对应的标注信息输入至深度神经网络，提取多级语义特征；对所述多级语义特征进行编码，生成不同层级的码流；

步骤S3.如果当前帧为非关键帧，做好标记0，写入码头；则直接计算所述非关键帧与其左相邻关键帧的残差，并进行残差编码，生成残差码流信息。

2.根据权利要求1所述的编码方法，所述步骤S1通过帧间物体的光流信息进行关键帧判断。

3.根据权利要求1所述的编码方法，所述步骤S2中的所述第一图像和第二图像为前景图像和背景图像。

4.根据权利要求1所述的编码方法，所述步骤S2中的多级语义特征包括：超高级语义特征、高级语义特征、中级语义特征以及低级语义特征。

5.根据权利要求1所述的编码方法，所述步骤S2中的多级语义特征的编码层级取决于解码时的视频清晰度，所述视频清晰度为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

6.根据权利要求1所述的编码方法，所述步骤S3中的编码方式为VVC编码。

7.一种解码方法，所述方法包括以下步骤：

步骤T1.获取待解码的视频帧，并根据码头标记判断是否为关键帧；

步骤T2.如果待解码的视频帧为关键帧，则根据用户选择的解码方式进行码流的重构，生成对应的关键帧视频；

步骤T3.如果待解码的视频帧为非关键帧，则根据用户选择的解码方式，基于其左相邻的关键帧以及残差信息对应的码流进行码流的重构，生成对应的非关键帧视频。

8.根据权利要求7所述的解码方法，所述用户选择解码方式分为超高清、高清、标清以及流畅四个不同等级。

9.一种编码设备，所述编码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行如权利要求1-6任一项所述的编码方法。

10.一种解码设备，所述解码设备包含处理器以及存储器，存储器中存储有程序指令，所述程序指令运行如权利要求7-8任一项所述的解码方法。

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