CN115190318B - 一种基于内容相关性的视频编码方法与系统 - Google Patents

一种基于内容相关性的视频编码方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内容相关性的视频编码方法与系统，涉及图像处理技术领域，包括步骤：获取当前编码块时域和空域上由边邻编码块组成的相关性编码块集合；依次根据编码块集合中执行划分和不执行划分的数量、执行四叉树划分和不执行四叉树划分的数量、执行垂直划分的数量和执行水平划分的数量、执行二叉树划分的数量和执行三叉树划分的数量进行相关性判断；最终获得当前编码块的编码划分模式。本发明通过对时域和空域上相邻编码块编码划分类别的统计分析，从而获得当前编码块的编码方式，在提高了编码效率的同时大大降低了编码复杂度。

Description

一种基于内容相关性的视频编码方法与系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于内容相关性的视频编码方法与系统。
背景技术
虽然VVC编码标准相较于HEVC编码标准显著提升了视频压缩效率，但是过长的编码时间使VVC难以投入实际应用。因此在保证视频质量基本不变，编码性能损失较小的情况下，如何大幅度减少VVC的运算复杂度成为了当前视频编码研究者的重点研究方向。VVC的加速方案分为两种：一是对于编码块CU划分的加速。由于VVC基于块编码来压缩视频，编码器会将一帧划分为非常多的CU，并通过后续复杂的运算选择出最优的划分方法。二是对于运动估计的加速，尤其是仿射运动估计过程。帧间编码的核心就在于通过运动估计和运动补偿从参考帧中找到与当前块最为相似的块，计算出的二者距离差即为运动矢量（MotionVector，MV)，这就是运动矢量预测过程。以上两种加速方案是加速编码中最常见的方案，但是它们都没有很好的平衡编码效率和编码复杂度的关系。
发明内容
为了在视频编码过程中更好的平衡编码效率和编码复杂度，本发明提出了一种基于内容相关性的视频编码方法，包括步骤：
S1：获取当前编码块时域和空域上由边邻编码块组成的相关性编码块集合；
S2：判断相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量是否超过不执行划分的数量，若是，进入S3步骤，若否，判定并输出当前编码块不划分；
S3：判断相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量是否超过不执行四叉树划分的数量，若是，判定并输出当前编码块为四叉树划分，若否，进入S4步骤；
S4：判断相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量是否超过执行水平划分的数量，若是，判定当前编码块垂直划分并进入S5步骤，若否，判定当前编码块水平划分并进入S5步骤；
S5：判断相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量是否超过执行三叉树划分的数量，若是，判定当前编码块二叉树划分并进入S6步骤，若否，判定当前编码块三叉树划分并进入S6步骤；
S6：结合S4步骤和S5步骤的判定结果，输出当前编码块的划分结果。
进一步地，所述S1步骤之前还包括步骤：
S0：记录已编码编码块的编码划分结果。
进一步地，所述S1步骤中，相关性编码块集合中包括当前编码块空域上的左侧边邻编码块、左上角边邻编码块、上侧边邻编码块、右上角边邻编码块，以及时域上前一帧的同位编码块。
进一步地，所述当前编码块与相关性编码块集合处于同一编码深度。
本发明还提出了一种基于内容相关性的视频编码系统，包括：
边邻收集单元，用于获取当前编码块时域和空域上的边邻编码块，并组成相关性编码块集合；
划分判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量超过不执行划分的数量时启用四叉树判定单元，否则输出当前编码块为不划分；
四叉树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量超过不执行四叉树划分的数量时判定并输出当前编码块为四叉树划分，否则启用方向判定单元；
方向判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量超过执行水平划分的数量时判定当前编码块垂直划分，否则判定当前编码块水平划分；
多插树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量超过执行三叉树划分的数量时判定当前编码块二叉树划分，否则判定当前编码块三叉树划分；
判定结合单元，用于结合方向判定单元和多插树判定单元的判定结果，输出当前编码块的划分结果。
进一步地，还包括，
划分记录单元，用于记录已编码编码块的编码划分结果。
进一步地，所述边邻收集单元中，相关性编码块集合中包括当前编码块空域上的左侧边邻编码块、左上角边邻编码块、上侧边邻编码块、右上角边邻编码块，以及时域上前一帧的同位编码块。
进一步地，所述当前编码块与相关性编码块集合处于同一编码深度。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
本发明所述的一种基于内容相关性的视频编码方法与系统，基于视频内容的相似性，也即是相邻编码块具有高度相关性的特点，通过对时域和空域上相邻编码块编码划分类别的统计分析，从而获得当前编码块的编码方式，在提高了编码效率的同时大大降低了编码复杂度。
附图说明
图1为一种基于内容相关性的视频编码方法的步骤图；
图2为一种基于内容相关性的视频编码系统的结构图；
图3为相关性编码块集合中各编码块示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
视频内容是由一帧帧有序的图像帧组成的，因此，当将图像帧划分为一个个编码块时，各个编码块与相邻编码块之间存在极强的相关性，这一点不仅体现在同一帧图像中，也体现在前后连续帧同一位置处编码块之间。因此，如果能够利用这一特点，对同一编码深度下的帧间图像进行编码，那将大大降低视频编码所需要的数据运算量，基于此思路，如图1所示，本发明提出了一种基于内容相关性的视频编码方法，包括步骤：
S0：记录已编码编码块的编码划分结果；
S1：获取当前编码块时域和空域上由边邻编码块组成的相关性编码块集合；
S2：判断相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量是否超过不执行划分的数量，若是，进入S3步骤，若否，判定并输出当前编码块不划分；
S3：判断相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量是否超过不执行四叉树划分的数量，若是，判定并输出当前编码块为四叉树划分，若否，进入S4步骤；
S4：判断相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量是否超过执行水平划分的数量，若是，判定当前编码块垂直划分并进入S5步骤，若否，判定当前编码块水平划分并进入S5步骤；
S5：判断相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量是否超过执行三叉树划分的数量，若是，判定当前编码块二叉树划分并进入S6步骤，若否，判定当前编码块三叉树划分并进入S6步骤；
S6：结合S4步骤和S5步骤的判定结果，输出当前编码块的划分结果。
其中，相关性编码块集合中包括（如图3所示）当前编码块（CUCUR）空域上的左侧边邻编码块（CUL）、左上角边邻编码块（CULT）、上侧边邻编码块（CUT）、右上角边邻编码块（CURT），以及时域上前一帧的同位编码块（CUCOL）。
由于本发明对于当前编码块编码方式的判定是基于相邻编码块的编码方式进行判定的，因此，在编码过程中，需要不断记录已编码编码块的编码划分结果，再在此基础上对当前编码块的划分方式进行判定。
首先，考虑到并不是所有的编码块都需要划分，因此，在最初判定时，需要先对边邻编码块中是否执行编码划分的数量进行统计，只有当执行划分的边邻编码块数量大于不执行划分的边邻编码块数量时，就证明当前编码块趋向于编码划分，需要执行后续的细化划分判定；否则表明当前编码块无需编码划分，直接作为最终编码对象。
因为在VVC编码标准中，编码树（CTU）首先需经过四叉树划分得到编码块（CU），编码块可以继续使用四叉树（QT）模式划分，也可以使用多类型树（MT）模式进行划分。因此，对于后续的细化划分判定，是从四叉树模式和多类型树模式中进行筛选的，但考虑到如果使用多类型树模式进行划分后得到的编码块后续无法再使用四叉树模式进行划分，因此，在判定当前编码块需要进行划分后，首先对是否是执行四叉树划分进行判定。
也即是，当相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量超过不执行四叉树划分的数量时，判定当前编码块需要执行四叉树划分，否则继续后续的多类型树模式具体划分模式的判定。
在多类型树模式中，又分为垂直/水平划分、二叉树/三叉树划分。这里，我们可以先对执行水平划分还是执行垂直划分进行判定，当相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量超过执行水平划分的数量时，则判定为垂直划分，否则判定为水平划分。
而后，再对二叉树划分还是三叉树划分进行判定，当相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量超过执行三叉树划分的数量时，则判定为二叉树划分，否则判定为水平划分。
最终，根据垂直/水平划分、二叉树/三叉树划分的判定结果，进行最终多类型树模式划分结果的获取，例如：垂直/水平划分判定时为判定为垂直划分，二叉树/三叉树划分判定时判定为三叉树划分，那么最终输出的多类型树模式为垂直三叉树划分模式。
实施例二
为了更好的对本发明的结构关系进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于内容相关性的视频编码系统，包括：
边邻收集单元，用于获取当前编码块时域和空域上的边邻编码块，并组成相关性编码块集合；
划分判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量超过不执行划分的数量时启用四叉树判定单元，否则输出当前编码块为不划分；
四叉树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量超过不执行四叉树划分的数量时判定并输出当前编码块为四叉树划分，否则启用方向判定单元；
方向判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量超过执行水平划分的数量时判定当前编码块垂直划分，否则判定当前编码块水平划分；
多插树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量超过执行三叉树划分的数量时判定当前编码块二叉树划分，否则判定当前编码块三叉树划分；
判定结合单元，用于结合方向判定单元和多插树判定单元的判定结果，输出当前编码块的划分结果。
进一步地，还包括，
划分记录单元，用于记录已编码编码块的编码划分结果。
进一步地，边邻收集单元中，相关性编码块集合中包括当前编码块空域上的左侧边邻编码块、左上角边邻编码块、上侧边邻编码块、右上角边邻编码块，以及时域上前一帧的同位编码块。
进一步地，当前编码块与相关性编码块集合处于同一编码深度。
实施例三
为了对本发明的技术效果进行证明，本实施例通过VTM-12.0上对本发明的技术内容进行实现，按照VVC的通用测试配置（CTC）标准，在随机访问（RA）模式下，帧内编码图像帧之间的间隔（GOP）为16，CTU大小为128×128，量化参数QP分别取22，27，32和37。通过对比本发明提出的算法和VVC参考软件的率失真（BD-Rate）来验证算法的性能，减少的编码计算复杂度使用平均节省编码时间（TS）来衡量，其计算公式如下：
Figure 448618DEST_PATH_IMAGE001
式中，i为1至4的常数，代表量化参数编号，
Figure 593642DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 225480DEST_PATH_IMAGE003
分别为在不同量化参数QP取值下，参考软件的编码时间与本专利提出的算法编码时间。
通过分析不同组别（Class）和不同序列（Sequence）下的率失真（BD-Rate）和平均节省编码时间（TS)，表明该方法能平均节省45.03%编码时间，编码效率性能平均损耗0.82%。实验结果表明，该策略对不同分辨率的测试序列具有较好的编码复杂度。
综上所述，本发明所述的一种基于内容相关性的视频编码方法与系统，基于视频内容的相似性，也即是相邻编码块具有高度相关性的特点，通过对时域和空域上相邻编码块编码划分类别的统计分析，从而获得当前编码块的编码方式，在提高了编码效率的同时大大降低了编码复杂度。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于内容相关性的视频编码方法，其特征在于，包括步骤：
S1：获取当前编码块时域和空域上由边邻编码块组成的相关性编码块集合；
S2：判断相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量是否超过不执行划分的数量，若是，进入S3步骤，若否，判定并输出当前编码块不划分；
S3：判断相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量是否超过不执行四叉树划分的数量，若是，判定并输出当前编码块为四叉树划分，若否，进入S4步骤；
S4：判断相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量是否超过执行水平划分的数量，若是，判定当前编码块垂直划分并进入S5步骤，若否，判定当前编码块水平划分并进入S5步骤；
S5：判断相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量是否超过执行三叉树划分的数量，若是，判定当前编码块二叉树划分并进入S6步骤，若否，判定当前编码块三叉树划分并进入S6步骤；
S6：结合S4步骤和S5步骤的判定结果，输出当前编码块的划分结果；
所述当前编码块与相关性编码块集合处于同一编码深度。
2.如权利要求1所述的一种基于内容相关性的视频编码方法，其特征在于，所述S1步骤之前还包括步骤：
S0：记录已编码编码块的编码划分结果。
3.如权利要求1所述的一种基于内容相关性的视频编码方法，其特征在于，所述S1步骤中，相关性编码块集合中包括当前编码块空域上的左侧边邻编码块、左上角边邻编码块、上侧边邻编码块、右上角边邻编码块，以及时域上前一帧的同位编码块。
4.一种基于内容相关性的视频编码系统，其特征在于，包括：
边邻收集单元，用于获取当前编码块时域和空域上的边邻编码块，并组成相关性编码块集合；
划分判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行划分的数量超过不执行划分的数量时启用四叉树判定单元，否则输出当前编码块为不划分；
四叉树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行四叉树划分的数量超过不执行四叉树划分的数量时判定并输出当前编码块为四叉树划分，否则启用方向判定单元；
方向判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行垂直划分的数量超过执行水平划分的数量时判定当前编码块垂直划分，否则判定当前编码块水平划分；
多叉树判定单元，用于在相关性编码块集合中各编码块中执行二叉树划分的数量超过执行三叉树划分的数量时判定当前编码块二叉树划分，否则判定当前编码块三叉树划分；
判定结合单元，用于结合方向判定单元和多叉树判定单元的判定结果，输出当前编码块的划分结果；
所述当前编码块与相关性编码块集合处于同一编码深度。
5.如权利要求4所述的一种基于内容相关性的视频编码系统，其特征在于，还包括，
划分记录单元，用于记录已编码编码块的编码划分结果。
6.如权利要求4所述的一种基于内容相关性的视频编码系统，其特征在于，所述边邻收集单元中，相关性编码块集合中包括当前编码块空域上的左侧边邻编码块、左上角边邻编码块、上侧边邻编码块、右上角边邻编码块，以及时域上前一帧的同位编码块。
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