CN116962712A - 一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及视频图像编码技术领域,公开了一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,包括以下步骤:S1,图像分层:对输入的YUV 4:2:2图像做二维小波变换,图像被分解为LL、LH、HL、HH四个子带,基于LL、LH、HL、HH四个子带构建增强层;其中,LL表示低频子带,LH表示水平方向高频子带,HL表示垂直方向高频子带,HH表示对角线方向高频子带;S2,增强层数据重排列:对增强层数据的位置进行重新排列。本发明解决了现有技术存在的压缩率有待进一步提高、图像编码质量进一步提高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及视频图像编码技术领域,具体是一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法。
背景技术
视频图像分层编码是将视频图像经过变换分离出基本层和增强层,分别进行编码。分层的变换方式可能有多种,小波变换是其中一种。在已获得授权的中国专利《一种针对视频图像小波变换高频系数的低复杂度编码方法》(申请号:202111596903.7)中,描述了一种针对视频图像做小波变换后高频系数的编码方法,在达到较高压缩率的同时,保持了较低的复杂度。
但是,还存在以下不足:压缩率有待进一步提高、图像编码质量进一步提高。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供了一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,解决现有技术存在的压缩率有待进一步提高、图像编码质量进一步提高等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是:
一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,包括以下步骤:
S1,图像分层:对输入的YUV 4:2:2图像做二维小波变换,图像被分解为LL、LH、HL、HH四个子带,基于LL、LH、HL、HH四个子带构建增强层;其中,LL表示低频子带,LH表示水平方向高频子带,HL表示垂直方向高频子带,HH表示对角线方向高频子带;
S2,增强层数据重排列:对增强层数据的位置进行重新排列。
作为一种优选的技术方案,步骤S2包括以下步骤:
S21,条带重排列:对增强层数据划分条带,每个条带都包含对应行的LL-Y、LL-U、LL-V、LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U、HH-V共12个子带的数据,对条带排列中的数据位置进行重新排列;其中,Y表示亮度,U表示红色色差的色度,V表示蓝色色差的色度;
S22,块和块组划分:将每个条带划分为多块,将若干个块组成块组;其中,每个块组包含的块个数M都是相同的;
S23,块内系数重排列:对每个块内的系数进行重新排列。
作为一种优选的技术方案,还包括以下步骤:
S3,哈达玛变换:对重排列后的系数,相邻的每4个系数为一组,进行2*2哈达玛变换,变换公式为:
;
其中,Y0、Y1、Y2、Y3表示变换后的从前至后的一组系数中的4个系数,X0、X1、X2、X3表示变换前的一组系数中的4个系数。
作为一种优选的技术方案,还包括以下步骤:
S4,量化:对哈达玛变换后的系数做量化;其中,对于每个条带,有统一的条带量化参数slice_qp;量化偏移为qp_bias,qp=slice_qp+qp_bias;其中,qp表示实际量化参数。
作为一种优选的技术方案,LL-Y、LL-U、LL-V三个子带的qp_bias=0;LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V六个子带的qp_bias=8;HH-Y、HH-U、HH-V三个子带的qp_bias=16。
作为一种优选的技术方案,还包括以下步骤:
S5,系数编码:对量化之后的系数做系数编码。
作为一种优选的技术方案,步骤S5包括以下步骤:
S51,设置块组编码码流结构:块组是系数编码的基本单元,一个块组的编码码流包括块组头、Z编码组、P编码组、S编码组;块组头为2字节,存放该块组的编码码流字节数;Z编码组存放块编码模式、系数组非零标志数组、变长编码标志数组、0001样式定长编码码流;P编码组存放变长编码前缀码流;S编码组存放变长编码后缀码流。
作为一种优选的技术方案,步骤S5包括以下步骤:
S52,设置块编码模式:对每个块定义五种块编码模式,对每个块编码时选择该块码长最短的模式进行编码,块编码模式码是变长编码,五种块编码模式分别是:
块编码模式0:块编码模式码为0,位数为1,表示:本块的所有系数全为0;
块编码模式1:块编码模式码为10,位数为2,表示:本块存在非0系数,使用多个层级的系数组非零标志数组描述,系数编码时同时使用0001样式定长编码和第一套变长编码;
块编码模式2:块编码模式码为110,位数为3,表示:本块存在非0系数,只使用4系数组非零标志数组描述,系数编码时同时使用0001样式定长编码和第一套变长编码;
块编码模式3:块编码模式码为1110,位数为4,表示:本块存在非0系数,不使用系数组非零标志数组描述,系数编码时只使用第一套变长编码;
块编码模式4:块编码模式码为1111,位数为4,表示:本块存在非0系数,不使用系数组非零标志数组描述,系数编码时只使用第二套变长编码。
作为一种优选的技术方案,步骤S52中,系数组非零标志数组,分为64系数组、16系数组、4系数组三种层级:若属于64系数组的64个系数全为0,则对应的64系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于16系数组的16个系数全为0,则对应的16系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于4系数组的4个系数全为0,则对应的4系数组非零标志数组为0,反之为1。
作为一种优选的技术方案,步骤S52中,对于块编码模式1和块编码模式2,若一个4系数组存在非零系数,则分为两种情况:如果这4个系数里面有3个0、1个1或1个-1,称之为4系数组的0001样式,做定长编码,定长编码码流记录在Z编码组中;如果这4个系数不是由3个0、1个1或1个-1组成,则使用变长编码,变长编码的前缀码流记录在P编码组中,变长编码的后缀码流记录在S编码组中。
本发明相比于现有技术,具有以下有益效果:
(1)本发明使用的重排列、哈达玛变换、量化、系数编码等综合性技术,更加符合小波高频子带的数据特性和概率模型,从而得到了更高的压缩率,在相同码率下画面质量更好;
(2)本发明相比于传统使用DCT变换和上下文自适应编码的方法,有更低的复杂度和更高的并行度,利于CPU/GPU/FPGA/ASIC各平台实现。
附图说明
图1为图像分层原理图;
图2为条带排列示意图;
图3为条带被划分为块与块组的示意图;
图4为16*16的块内系数重排列示意图;
图5为32*8的块内系数重排列示意图;
图6为16*4的块内系数重排列示意图;
图7为块组码流结构示意图;
图8为16*16的块内部非零系数示意图;
图9为多层级的非零标志描述示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图9所示,本发明在现有技术的基础上,又做了若干改进。改进了增强层具体编码方法,进一步提升了压缩率,获得了更好的图像编码质量。
本发明采用如下技术方案实现:
S1,图像分层:
对输入的YUV 4:2:2图像做二维小波变换,使用的小波函数为Le Gall 5/3整数小波。经一次水平小波变换和一次垂直小波变换后,图像被分解为LL、LH、HL、HH四个子带,其中LL为低频子带,LH、HL、HH为高频子带。LL做为基本层,对其先做基本层编码,再做基本层解码之后,用原始的LL和其逐像素相减得到LL残差。将LL残差逐像素替换掉LL,和LH、HL、HH一起组成增强层,做接下来的增强层编码。图像分层过程如图1所示。
S2,增强层数据重排列:
S21,条带重排列:
对增强层数据划分条带(slice),每个条带都包含对应行的LL-Y、LL-U、LL-V、LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U、HH-V共12个子带的数据。设增强层图像宽度为width,图像高度为height。则条带宽度slice_width=width*4,条带高度slice_height允许的值为4、8或16,增强层图像被划分的条带个数slice_count=height/2/slice_height。条带排列如图2所示。
S22,块和块组划分:
在每个条带内部,进行块(block)划分。当条带高度为16时,允许的块大小为16*16;当条带高度为8时,允许的块大小为32*8;当条带高度为4时,允许的块大小为16*4。
若干个块(block)组成块组(block group)。每个块组包含的块个数M都是相同的,M允许取值范围为[1,60]。
一个条带包含的块与块组如图3所示。
S23,块内系数重排列:
16*16的块内系数重排列如图4所示。
图4中,16*16的块,可以划分成四层:
第一层,16*16块可划分4个8*8的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
第二层,每个8*8的块,又可划分4个4*4的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
第三层,每个4*4的块,又可划分4个2*2的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
第四层,每个2*2的块包含的4个系数,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
32*8的块内系数重排列如图5所示。
图5中,32*8的块,可以划分成四层:
第一层,32*8块可划分4个8*8的块,按照从左到右的顺序排列。
第二层,每个8*8的块,又可划分4个4*4的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。第三层,每个4*4的块,又可划分4个2*2的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
第四层,每个2*2的块包含的4个系数,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
16*4的块内系数重排列如图6所示。
图6中,16*4的块,可以划分成三层:
第一层,16*4块可划分4个4*4的块,按照从左到右的顺序排列。
第二层,每个4*4的块,又可划分4个2*2的块,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
第三层,每个2*2的块包含的4个系数,按照左上、右上、左下、右下的顺序排列。
S3,哈达玛变换:
对重排列后的系数,相邻的每4个系数为一组,进行2*2哈达玛变换。变换公式为:
;
S4,量化:
对哈达玛变换后的系数做量化。使用88档量化表,量化参数qp允许的取值范围为[0,87]。量化参数qp与量化步长qstep的关系见表1。
表1量化参数qp与量化步长qstep的关系
对于每个条带,有统一的条带量化参数slice_qp。条带中的每个子带的量化权重不一样,相对于条带量化参数有量化偏移qp_bias。其中,量化权重是指:根据各个子带的重要性不同,使用不同的量化参数qp,更重要的子带使用较精细的量化步长,即较小的qp;不重要的子带使用较粗糙的量化步长,即较大的qp。量化偏移指:设置的不同子带qp的偏差。LL-Y、LL-U、LL-V三个子带的qp_bias=0;LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V六个子带的qp_bias=8;HH-Y、HH-U、HH-V三个子带的qp_bias=16。
量化的伪代码见表2。
表2量化的伪代码表
S5,系数编码:
S51,块组编码码流结构:
对量化之后的系数做系数编码,块组是系数编码的基本单元。一个块组的编码码流,由块组头、Z编码组、P编码组、S编码组构成。块组头为2字节,存放该块组的编码码流字节数。Z编码组存放块编码模式、系数组非零标志数组、变长编码标志数组、0001样式定长编码码流。P编码组存放变长编码前缀码流。S编码组存放变长编码后缀码流。块组码流结构如图7所示。
S52,块编码模式:
由于每个块的系数分布概率很不相同,因此对于每个块定义了5种编码模式,对该块编码时应选择码长最短的模式进行编码。块编码模式码是变长编码,含义见表3。
表3块编码模式表
系数组非零标志数组:
系数组非零标志数组,分为64系数组、16系数组、4系数组三种层级。若属于64系数组的64个系数全为0,则对应的64系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于16系数组的16个系数全为0,则对应的16系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于4系数组的4个系数全为0,则对应的4系数组非零标志数组为0,反之为1。
对于块编码模式1,使用多个层级的系数组非零标志数组描述。若更高层级的某个区域已经表示为全0了,位于这个区域更低层级的非零标志数组就无需再做描述,节省了编码bit数。块编码模式1适合于块内非零系数很稀疏的情况。图8中,黑色方格表示该处系数为0,白色方格为非零系数;图9中,黑色圆圈表示全零节点(该区域系数全为0),白色圆圈表示非零节点。
对于块编码模式2,不使用多层级,只使用4系数组非零标志数组描述。块编码模式2适合于块内非零系数一般稀疏的情况。
对于块编码模式3和块编码模式4,不使用任何非零标志数组描述,适合于块内非零系数不稀疏的情况。
变长编码标志数组和0001样式定长编码:
对于块编码模式1和2,若一个4系数组存在非零系数,则又分为两种情况:如果这4个系数里面有3个0和1个±1,称之为4系数组的0001样式,做定长编码,定长编码码流记录在Z编码组中;如果这4个系数不是由3个0和1个±1组成,则使用变长编码,变长编码的前后缀码流分别记录在P编码组和S编码组中。对各个存在非零系数的4系数组,变长编码标志数组依次记录上述的两种情况。
0001样式共有8种可能,用3个bit的定长编码表示,见表4。
表40001样式表
对于块编码模式3和4,不存在变长编码标志数组和0001样式定长编码,块内所有系数均做变长编码。
第一套变长编码:
对于块编码模式1和模式2使用变长编码的4系数组,以及块编码模式3的所有系数,使用第一套变长编码。第一套变长编码的伪代码描述如表5。
表5第一套变长编码的伪代码表
-9~+9的第一套变长编码码字参见表6。
表6第一套变长编码码字表
第二套变长编码:
对于块编码模式4的所有系数,使用第二套变长编码。第二套变长编码的码字等同于0阶指数哥伦布编码,伪代码描述如表7。
表7第二套变长编码的伪代码表
-9~+9的第二套变长编码码字参见表8。
表8第二套变长编码码字表
如上所述,可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征,或隐含公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质,在本发明的精神和原则之内,对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等,均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,图像分层:对输入的YUV 4:2:2图像做二维小波变换,图像被分解为LL、LH、HL、HH四个子带,基于LL、LH、HL、HH四个子带构建增强层;其中,LL表示低频子带,LH表示水平方向高频子带,HL表示垂直方向高频子带,HH表示对角线方向高频子带;
S2,增强层数据重排列:对增强层数据的位置进行重新排列。
2.根据权利要求1所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,步骤S2包括以下步骤:
S21,条带重排列:对增强层数据划分条带,每个条带都包含对应行的LL-Y、LL-U、LL-V、LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U、HH-V共12个子带的数据,对条带排列中的数据位置进行重新排列;其中,Y表示亮度,U表示红色色差的色度,V表示蓝色色差的色度;
S22,块和块组划分:将每个条带划分为多块,将若干个块组成块组;其中,每个块组包含的块个数M都是相同的;
S23,块内系数重排列:对每个块内的系数进行重新排列。
3.根据权利要求2所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,还包括以下步骤:
S3,哈达玛变换:对重排列后的系数,相邻的每4个系数为一组,进行2*2哈达玛变换,变换公式为:
;
其中,Y0、Y1、Y2、Y3表示变换后的从前至后的一组系数中的4个系数,X0、X1、X2、X3表示变换前的一组系数中的4个系数。
4.根据权利要求3所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,还包括以下步骤:
S4,量化:对哈达玛变换后的系数做量化;其中,对于每个条带,有统一的条带量化参数slice_qp;量化偏移为qp_bias,qp=slice_qp+qp_bias;其中,qp表示实际量化参数。
5.根据权利要求4所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,LL-Y、LL-U、LL-V三个子带的qp_bias=0;LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V六个子带的qp_bias=8;HH-Y、HH-U、HH-V三个子带的qp_bias=16。
6.根据权利要求5所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,还包括以下步骤:
S5,系数编码:对量化之后的系数做系数编码。
7.根据权利要求6所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,步骤S5包括以下步骤:
S51,设置块组编码码流结构:块组是系数编码的基本单元,一个块组的编码码流包括块组头、Z编码组、P编码组、S编码组;块组头为2字节,存放该块组的编码码流字节数;Z编码组存放块编码模式、系数组非零标志数组、变长编码标志数组、0001样式定长编码码流;P编码组存放变长编码前缀码流;S编码组存放变长编码后缀码流。
8.根据权利要求7所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,步骤S5包括以下步骤:
S52,设置块编码模式:对每个块定义五种块编码模式,对每个块编码时选择该块码长最短的模式进行编码,块编码模式码是变长编码,五种块编码模式分别是:
块编码模式0:块编码模式码为0,位数为1,表示:本块的所有系数全为0;
块编码模式1:块编码模式码为10,位数为2,表示:本块存在非0系数,使用多个层级的系数组非零标志数组描述,系数编码时同时使用0001样式定长编码和第一套变长编码;
块编码模式2:块编码模式码为110,位数为3,表示:本块存在非0系数,只使用4系数组非零标志数组描述,系数编码时同时使用0001样式定长编码和第一套变长编码;
块编码模式3:块编码模式码为1110,位数为4,表示:本块存在非0系数,不使用系数组非零标志数组描述,系数编码时只使用第一套变长编码;
块编码模式4:块编码模式码为1111,位数为4,表示:本块存在非0系数,不使用系数组非零标志数组描述,系数编码时只使用第二套变长编码。
9.根据权利要求8所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,步骤S52中,系数组非零标志数组,分为64系数组、16系数组、4系数组三种层级:若属于64系数组的64个系数全为0,则对应的64系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于16系数组的16个系数全为0,则对应的16系数组非零标志数组为0,反之为1;若属于4系数组的4个系数全为0,则对应的4系数组非零标志数组为0,反之为1。
10.根据权利要求8或9所述的一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法,其特征在于,步骤S52中,对于块编码模式1和块编码模式2,若一个4系数组存在非零系数,则分为两种情况:如果这4个系数里面有3个0、1个1或1个-1,称之为4系数组的0001样式,做定长编码,定长编码码流记录在Z编码组中;如果这4个系数不是由3个0、1个1或1个-1组成,则使用变长编码,变长编码的前缀码流记录在P编码组中,变长编码的后缀码流记录在S编码组中。
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