CN116962712B - 一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法 - Google Patents
一种视频图像分层编码的增强层改进编码方法 Download PDFInfo
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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 (3)
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；其中，LL做为基本层，对LL先做基本层编码，再做基本层解码之后，用原始的LL和基本层解码之后的LL逐像素相减得到LL残差，再将LL残差逐像素替换掉LL，和LH、HL、HH一起组成增强层；
S2，增强层数据重排列：对增强层数据的位置进行重新排列；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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。
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。
3.根据权利要求1或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，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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