CN116506628B - 一种基于像素块的编码预测器方法、编码系统及编码装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于像素块的编码预测器方法、编码系统及编码装置,所述编码预测器方法包括获取搜索范围大小;依次将待编码数据的M行×N列个像素的数据作为待搜索数据块进行预测编码;将所述待搜索数据块分割为若干个编码单元;计算其他的编码单元与所述预测基准的像素数据值距离的总和值ACC;选取最小值ACC_k对应的预测基准为第k个编码单元;以第k个编码单元作为预测基准对所述待搜索数据块生成预测值。本发明可以根据不同应用场景,定制搜索范围,最大可达整个画幅,扩大了预测方法的感知野,能有效适应各类场景需求,以感知画面的高维度相关性,以误差距离作为度量标准,其鲁棒性和自适应性都有明显提升。

Description

一种基于像素块的编码预测器方法、编码系统及编码装置
技术领域
本发明属于视频流编码领域,尤其涉及一种基于像素块的编码预测器方法、编码系统及编码装置。
背景技术
视频流(VS, Video Stream)是当前终端产品,如手机、平板电脑、笔记本电脑、机顶盒等内部和外部常见的传输内容。一般情况下,视频流在移动端 AP/SoC (ApplicationProcessor/System on Chip)与显示驱动芯片(DDIC, Display Driver IC)或是设备与设备之间,由 MIPI/eDP/DP/HDMI 等高速界面协议打包传送,参考 US20140362098A1 所阐述的视频流压缩传输方式。在上述的一些应用中,由于数据缓存区大小的限制,视频流编码方案难以利用跨帧的数据进行动态预测,而仅能利用帧内一定大小的数据块进行预测。
近些年,随着终端显示分辨率和刷新频率的逐步攀升,以及高动态范围(HDR,High Dynamic Range)显示技术的普及,视频里所占据的存储容量和传输带宽也随之大幅上涨。针对视频里的压缩方案性能提升,就显得尤为紧迫。美国视频电子标准协会(VESA)先后通过了 2 份针对视频流压缩的行业标准,即DSC (Display Stream Compression) 和VDC-M (Video Display Compression-M),以解决利用高速界面传输高品质、高帧率、高动态范围视频所带来的带宽问题。
现有技术存在以下缺陷:
1. DSC 采用的基于像素点线性搜索预测,是一种鲁棒性较低的预测方法,在处理显卡渲染的计算机图形(CG, Computer Graphics)等复杂场景下的自适应效果不理想,从而进一步影响编码效率,增加传输带宽负担;
2. VDC-M 是 DSC 的下一代视频流压缩协议,采用了有限邻域搜索预测,相比于DSC 有了一定的自适应能力,但其局限于小范围搜索,对于复杂的 CG 场景预测效果仍不够理想。
因此,如何进一步提高预测器的预测效果,是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的之一在于提供一种基于像素块的编码预测器方法,可以根据不同应用场景,定制搜索范围,最大可达整个画幅,扩大了预测方法的感知野,能有效适应各类场景需求,以感知画面的高维度相关性,以误差距离作为度量标准,其鲁棒性和自适应性都有明显提升。
为实现上述目的,本发明一方面提供了一种基于像素块的编码预测器方法,包括如下步骤:
步骤S1:获取搜索范围大小(M , N),所述M、N表示搜索范围为M行×N列;
步骤S2:根据搜索范围大小(M , N),依次将待编码数据的M行×N列个像素的数据作为待搜索数据块进行预测编码,所述预测编码包括步骤S2.1至步骤S2.4;
步骤S2.1:根据预设的最小编码单元大小(s , t),将所述待搜索数据块分割为若干个编码单元,所述编码单元包括s行×t列个像素;
步骤S2.2:依次选取各个所述编码单元作为预测基准,计算其他的编码单元与所述预测基准的像素数据值距离的总和值ACC;
步骤S2.3:选取各个总和值ACC的最小值ACC_k,最小值ACC_k对应的预测基准为第k个编码单元;
步骤S2.4:以第k个编码单元作为预测基准对所述待搜索数据块生成预测值。
优选地,所述步骤S2.2中,计算其他的编码单元与所述预测基准的像素数据值距离的总和值ACC为根据公式(1)和公式(2)计算欧氏距离的总和值:
(1);
(2);
其中:n为每个像素所包括的子像素数,对于RGB编码来说,n=3;p、q分别表示作为预测基准的编码单元和其他的编码单元的对应像素;pi、qi表示对应的子像素灰阶值。
本发明另一方面提供了一种基于像素块的编码系统,所述编码系统包括编码模块和解码模块,所述编码模块包括预处理器模块、预测器模块、码率控制模块、熵编码模块和码流传输模块,所述预测器模块使用如上述的编码预测器方法。
本发明另一方面提供了一种基于像素块的编码装置,所述编码装置包括编码器和解码器,所述编码器包括预处理器、预测器、码率控制器、熵编码器和码流传输器,所述预测器使用如上述的编码预测器方法。
本发明的有益效果是:
本发明将当前待压缩的像素块作为参考数据,在用户定义的搜索范围内,依照数据匹配运算规则,搜索出数据间最小距离的全局最优解,以此作为待压缩像素块的预测值进行压缩编码。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所公开的基于像素块的编码系统的示意图;
图2为现有技术中的DSC协议的预测器的示意图;
图3为本发明实施例的正态分布RE的示意图;
图4为现有技术中的VDC-M 协议的预测器的示意图;
图5至图6为本发明实施例的编码预测器方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明的核心之一在于提供一种基于像素块的编码预测器方法,可以根据不同应用场景,定制搜索范围,最大可达整个画幅,扩大了预测方法的感知野,能有效适应各类场景需求,以感知画面的高维度相关性,以误差距离作为度量标准,其鲁棒性和自适应性都有明显提升。
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、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明所公开的一种基于像素块的编码系统,包括编码模块100和解码模块200,编码模块包括预处理器模块101、预测器模块102、码率控制模块104、熵编码模块103和码流传输模块105,预测器模块102使用上述的编码预测器方法。在一些实施例中,上述编码系统可以通过硬件实现,即一种基于像素块的编码装置。
预测器模块102的原理,是利用视频数据的冗余特性,包含时域、空域、语义等维度。通过分析已经编码的重构视频数据与待压缩视频数据的统计分布特性、空间像素特征、语义特点,计算得到待压缩视频数据的最大似然预测值,以此可以大幅减少视频数据的残差信息熵 (RE),进而提升熵编码模块103(EC)的效率,减小码流传输模块105所占用的带宽。
同时,由于RE的减小,码率控制模块104 (RC, Rate Control) 会更稳定的运行在较低的量化参数 (Qp, Quantization Parameter) 模式,提供更好的画面品质。从以上论述可知,预测器的预测效果越理想,编码器生成的码率也更低,熵编码效率就越高。同时确保Qp维持在较小的等级,从而整体视频恢复效果更好。
在本实施例考虑的应用场景中,硬件所能缓存的数据不超过一帧范围,因此预测器模块102仅对帧内的数据块进行搜索预测,而不进行跨帧数据的时域维度的动态预测。
DSC协议的预测器,选用了像素点线性预测 (MAP, Median AdaptivePrediction) 和像素块搜索预测(BSP, Block Search Prediction)结合的方式,如图2所示。其中 I0, I1, I2 表示当前编码器要处理的像素块,其周围的像素区域 R0, R1, R2R3, R4… Rn 表示已经编码的重建视频数据,P0, P1, P2 表示 MAP 和 BSP 分别生成的预测值。
根据视频数据的相关性理论,自然场景采用 MAP 产生的 RE 接近零均值正态分布的信息熵 (如图3所示),信息熵的方差大小取决于场景的内容。而 BSP 可以从更广泛的视野提供更准确的预测数值,从而进一步降低 RE,此效果改善程度取决于搜索空间的可用范围 (图2所示的R0 ~ Rn),而且按照 DSC 协议要求,只能从像素空间的前一行内选择 R0… Rn,限定了 BSP 的自由度和去冗余效果。
如图4所示,VDC-M 协议的预测器,选用了有限邻域搜索预测。图中 8*2 区域为待编码像素,上排 I0 ~ I7,下排 I0 ~ I7,预测搜索范围为 A 和 B 区域,匹配算法采用像素数据间最小误差原则,与 DSC 的 BSP 相同。该预测器的性能相比于 DSC,有了较大幅度的提升,在保持相同主观画质的前提下,平均码率可以降低约 0.5bit / pixel。
本发明所公开的一种基于像素块的编码预测器方法包括如下步骤:
步骤S1:获取搜索范围大小(M , N),M、N表示搜索范围为M行×N列;
步骤S2:根据搜索范围大小(M , N),依次将待编码数据的M行×N列个像素的数据作为待搜索数据块进行预测编码,预测编码包括步骤S2.1至步骤S2.4;
如图5所示,步骤S2.1:根据预设的最小编码单元大小(s , t),将待搜索数据块分割为若干个编码单元,编码单元包括s行×t列个像素;
步骤S2.2:依次选取各个编码单元作为预测基准,根据公式(1)和公式(2)计算其他的编码单元与预测基准的欧氏距离的总和值ACC;
(1);
(2);
其中:n为每个像素所包括的子像素数,对于RGB编码来说,n=3;p、q分别表示作为预测基准的编码单元和其他的编码单元的对应像素;pi、qi表示对应的子像素灰阶值。
步骤S2.3:选取各个总和值ACC的最小值ACC_k,最小值ACC_k对应的预测基准为第k个编码单元;
步骤S2.4:以第k个编码单元作为预测基准对待搜索数据块生成预测值。
如图6所示,以搜索范围大小为16*2,最小编码单元为 2*2,作为示例。搜索算法如下:
Step 1. 选择上下两排像素点 I0-I1 作为基准点,记为 I0/1 *2;
Step 2. 计算基准点与搜索范围内其它像素点之间的欧氏距离;
Step 3. 累积该基准点对应的所有欧氏距离,记为 ACC_I0/1;
Step 4. 基准点右移至 I2/3 *2,重复 Step 2 ~3;
Step 5. 当基准点移动至 I14/15 *2,得到 ACC_I0/1 ~ ACC_I14/15;
Step 6. 选择ACC_I0/1 ~ ACC_I14/15中最小的,记为最优匹配预测。
在其他的一些实施例中,搜索范围可以根据用户实际需求进行缩放,例如 8*8,4*16 等其它形状,最小编码单元也可以做适当的调整,例如 4*2, 4*4 等,因此该方法是可以支持用户自定义搜索范围的基于像素块的编码预测。
对于自然场景下拍摄的视频内容,其像素分布一般符合正态分布类型。在某个空间搜索范围内一定存在一个与局部像素块相似度最高的区域。对于计算机显卡合成的场景,根据显卡渲染的数学原理,在某个空间搜索范围内也一定存在像素块预测的最优全局解。本发明利用这一理论,为预测过程提供了最优全局解。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于像素块的编码预测器方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:获取搜索范围大小(M , N),所述M、N表示搜索范围为M行×N列;
步骤S2:根据搜索范围大小(M , N),依次将待编码数据的M行×N列个像素的数据作为待搜索数据块进行预测编码,所述预测编码包括步骤S2.1至步骤S2.4;
步骤S2.1:根据预设的最小编码单元大小(s , t),将所述待搜索数据块分割为若干个编码单元,所述编码单元包括s行×t列个像素;
步骤S2.2:依次选取各个所述编码单元作为预测基准,计算其他的编码单元与所述预测基准的像素数据值距离的总和值ACC;
步骤S2.3:选取各个总和值ACC的最小值ACC_k,最小值ACC_k对应的预测基准为第k个编码单元;
步骤S2.4:以第k个编码单元作为预测基准对所述待搜索数据块生成预测值。
2.根据权利要求1所述的编码预测器方法,其特征在于,所述步骤S2.2中,计算其他的编码单元与所述预测基准的像素数据值距离的总和值ACC为根据公式(1)和公式(2)计算欧氏距离的总和值:
(1);
(2);
其中:n为每个像素所包括的子像素数,对于RGB编码来说,n=3;p、q分别表示作为预测基准的编码单元和其他的编码单元的对应像素;pi、qi表示对应的子像素灰阶值。
3.一种基于像素块的编码系统,其特征在于,所述编码系统包括编码模块和解码模块,所述编码模块包括预处理器模块、预测器模块、码率控制模块、熵编码模块和码流传输模块,所述预测器模块使用如权利要求1或2所述的编码预测器方法。
4.一种基于像素块的编码装置,其特征在于,所述编码装置包括编码器和解码器,所述编码器包括预处理器、预测器、码率控制器、熵编码器和码流传输器,所述预测器使用如权利要求1或2所述的编码预测器方法。
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Address after: Room 10-401, No. 2846 Xingang East Road, Haizhu District, Guangzhou City, Guangdong Province, 510330 (Office only)

Patentee after: Weidu Microelectronics (Guangdong) Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 201306 building C, No. 888, Huanhu West 2nd Road, Lingang New District, China (Shanghai) pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai

Patentee before: Weichuang Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd.

Country or region before: China