CN117354545A - 视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，属于编码领域，包括步骤：对输入的图像做二维小波变换，获得小波高频子带；对小波高频系数进行重排列；对重排列后的系数进行哈达玛变换；对哈达玛变换后的系数做量化处理；块的非零状态编码；块内系数编码。本发明在原有方法基础上进一步提升了压缩率，获得了更好的图像编码质量。
Description
技术领域
本发明涉及编码领域，更为具体的，涉及一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法。
背景技术
在公开号为CN114143557A的授权专利《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》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。但是仍存在如下技术问题：压缩率和图像编码质量有待进一步提高。我们在上述方法的基础上，又做了若干变化和改进，旨在发展更好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，在原有方法基础上进一步提升了压缩率，获得了更好的图像编码质量。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，包括步骤：
步骤1.1，对输入的图像做二维小波变换，获得小波高频子带；
步骤1.2，对小波高频系数进行重排列；
步骤1.3，对重排列后的系数进行哈达玛变换；
步骤1.4，对哈达玛变换后的系数做量化处理；
步骤1.5，量化后，对块的非零状态编码；
步骤1.6，对块内系数编码。
进一步地，在步骤1.1中，所述小波高频子带包括LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U和HH-V九个子带。
进一步地，在步骤1.2中，所述对小波高频系数进行重排列，包括如下子步骤：
步骤1.2.1，条带重排列：对小波高频系数划分条带slice，每个条带都包含对应行的子带的数据；设图像宽度为width，图像高度为height，则条带宽度slice_width = width* 3，条带高度slice_height固定等于4，总共划分的条带个数slice_count = height / 2/ slice_height；
步骤1.2.2，块划分和块内系数重排列：在每个条带内部，依次进行块block划分；限定块的尺寸，且尺寸包括4x4，即块宽度和块高度都为4，且块高度和条带高度相等；每个条带包含的块个数slice_block_count = width * 3 / 4；每个块包含16个系数，对块内系数做重排列。
进一步地，在步骤1.3中，所述对重排列后的系数进行哈达玛变换，包括如下子步骤：
对重排列后的系数，按相邻的每4个系数为一组，进行2 * 2哈达玛变换。
进一步地，在步骤1.4中，所述对哈达玛变换后的系数做量化处理，包括如下子步骤：
步骤1.4.1，使用量化表进行量化处理，且在量化表中设定量化参数qp允许的取值范围，建立量化参数qp与量化步长qstep的关系；
步骤1.4.2，对每个条带，设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设量化偏移qp_bias。
进一步地，在步骤1.5中，所述块的非零状态编码，包括如下子步骤：
命名块内系数全为0的块为全零块，称存在非零系数的块为非零块；对一个条带的全零块和非零块，按如下步骤进行编码：
1），若条带的第0个块是全零块，则块状态block_state = 0；反之，若条带的第0个块是非零块，则块状态block_state = 1；在编码码流中用1个bit记录初始的块状态；
2），初始化变量，块状态连续长度run_count = 1；
3），从条带的第1个块开始向后扫描；
4），如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state相同，则块状态连续长度run_count加1；继续向后扫描；
5）如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state不相同，则对当前的(run_count – 1)这个数值做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面；然后，对块状态block_state取反，即block_state = block_state – 1，同时重新初始化块状态连续长度run_count = 1；继续向后扫描；
6）重复步骤4）和5），一直扫描到条带的最后一个块结束；对最后的(run_count –1)做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面。
进一步地，在步骤1.6中，所述块内系数编码，包括4x4块内系数编码，即：
对于4x4全零块，无需做块内系数编码；对于4x4非零块，块内含有非零系数，则需要做块内系数编码；所述块内系数编码具体包括：将4x4的非零块，进一步划分为4个2x2的子块；用4个bit分别记录4个2x2子块的非零状态，若2x2子块的4个系数全为0，则对应的bit记为0；若2x2子块的4个系数包含非零系数，则对应的bit记为1；
对于4x4的非零块，在编码时为每个4x4块在如下两种方式中选择码流长度更短的那种方式进行编码；
第一种：按子块模式进行编码，对应块编码模式1111～0001；
第二种：不按子块编码，直接对4x4块的每个系数进行编码，对应块编码模式0000。
进一步地，在块编码模式0000中，所述直接对4x4块的每个系数进行编码具体为依次对块内系数使用变长编码进行编码。
进一步地，在块编码模式1111～0001中，在块编码模式的4个bit中已经描述了子块的非零状态，全零子块无需再做系数编码；对于每个非零子块，存在两种情况：
1）4个系数由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“1”；
2）4个系数不是由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“0”；
对于第1）种情况，子块编码模式1，用3个bit的定长编码子块系数；
对于第2）种情况，子块编码模式0，依次对子块的4个系数使用变长编码进行编码。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例的方法具有如下优点：一是为了实现更低的延迟和更低的缓存占用，限定了分块大小为4x4；二是使用“0”“1”交替的游程编码对4x4块是否为全零系数进行编码；三是对4x4块内系数编码方式做了改进；本发明方法在原有方法基础上进一步提升了压缩率，获得了更好的图像编码质量。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为九个子带编码示意图；
图2为条带排列示意图；
图3为块内系数重排列示意图；
图4为4x4的非零块进一步划分为4个2x2的子块的示意图。
具体实施方式
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。
本发明的具体实现过程如下：
步骤1.1 小波变换
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，Y、U、V三个图像通道各自被分解为LL、LH、HL、HH四个子带，其中LL为低频子带，LH、HL、HH为高频子带。本发明描述的编码目标是小波高频子带，即对LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U、HH-V九个子带进行编码。如图1所示。
步骤1.2 系数重排列
步骤1.2.1 条带重排列
对小波高频系数划分条带（slice），每个条带都包含对应行的LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U、HH-V共9个子带的数据。设图像宽度为width，图像高度为height。则条带宽度slice_width = width * 3，条带高度slice_height固定等于4，总共划分的条带个数slice_count = height / 2 / slice_height。条带排列如图2所示。
步骤1.2.2 4x4块划分和块内系数重排列
在每个条带内部，从左到右依次进行块（block）划分。块的尺寸为4x4，即块宽度和块高度都为4，且块高度和条带高度相等。每个条带包含的块个数slice_block_count =width * 3 / 4。
每个块包含16个系数，块内系数按图3所示的方式做重排列。
步骤1.3 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，表示哈达玛变换前参数，/>表示哈达玛变换后参数；
步骤1.4 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的关系见下表1。
表1
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。各个小波子带对应的量化偏移见下表2。
表2
量化的伪代码见下表3。
表3
步骤1.5 块的非零状态编码
在对条带做量化之后，系数的绝对值大幅降低，大量系数被量化为0，条带内会出现很多16个系数全为0的4x4块。我们称16个系数全为0的块为全零块，称存在非零系数的块为非零块。对一个条带的全零块和非零块，按下述方式进行编码描述。
1）若条带的第0个块是全零块，则块状态block_state = 0。反之，若条带的第0个块是非零块，则块状态block_state = 1。在编码码流中用1个bit记录初始的块状态。
2）初始化变量，块状态连续长度run_count = 1。
3）从条带的第1个块开始向后扫描。
4）如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state相同，则块状态连续长度run_count加1。继续向后扫描。
5）如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state不相同，则对当前的(run_count – 1)这个数值做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面。然后，对块状态block_state取反，即block_state = block_state – 1，同时重新初始化块状态连续长度run_count = 1。继续向后扫描。
6）重复步骤4）和5），一直扫描到条带的最后一个块结束。对最后的(run_count –1)做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面。
块的非零状态编码伪代码见下表4。
表4
步骤1.6 4x4块内系数编码
4x4块编码模式：对于4x4全零块，已经在块的非零状态编码中进行了描述，无需再做块内系数编码。对于4x4非零块，块内含有非零系数，需要做块内系数编码。
4x4的非零块，可以进一步划分为4个2x2的子块，如图4所示。
用4个bit分别记录4个2x2子块的非零状态，若2x2子块的4个系数全为0，则对应的bit记为0；若2x2子块的4个系数包含非零系数，则对应的bit记为1。由这4个bit表示的共16种含义见下表5。
表5
对于4x4的非零块，既可以按子块模式进行编码（对应块编码模式1111～0001），也可以不按子块编码，直接对4x4块的每个系数进行编码（对应块编码模式0000）。对于每个4x4非零块，这两种编码方式必然存在一种方式的编码码流长度更短，在编码时应为每个4x4块选择码流长度更短的那种方式。
直接编码（块编码模式0000）：对于块编码模式0000，直接对4x4块的每个系数进行编码，即依次对这16个系数使用变长编码进行编码。
子块编码（块编码模式1111～0001）：对于块编码模式1111～0001，在块编码模式的4个bit中已经描述了子块的非零状态，全零子块无需再做系数编码。对于每个非零子块，又有两种情况：
1）这4个系数由3个0和1个±1组成。在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“1”。
2）这4个系数不是由3个0和1个±1组成。在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“0”。
对于第一种情况，子块编码模式1，用3个bit的定长编码子块系数，见下表6。
表6
对于第二种情况，子块编码模式0，依次对子块的4个系数使用4.6.4所描述的变长编码进行编码。
变长编码：对系数的变长编码使用变种的指数哥伦布编码，伪代码描述见下表7。
表7
-9 ～ +9的变长编码码字参见下表8。
表8
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，包括步骤：
步骤1.1，对输入的图像做二维小波变换，获得小波高频子带；
步骤1.2，对小波高频系数进行重排列；
步骤1.3，对重排列后的系数进行哈达玛变换；
步骤1.4，对哈达玛变换后的系数做量化处理；
步骤1.5，量化后，对块的非零状态编码；
步骤1.6，对块内系数编码。
实施例2
在实施例1的基础上，在步骤1.1中，所述小波高频子带包括LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U和HH-V九个子带。
实施例3
在实施例1的基础上，在步骤1.2中，所述对小波高频系数进行重排列，包括如下子步骤：
步骤1.2.1，条带重排列：对小波高频系数划分条带slice，每个条带都包含对应行的子带的数据；设图像宽度为width，图像高度为height，则条带宽度slice_width = width* 3，条带高度slice_height固定等于4，总共划分的条带个数slice_count = height / 2/ slice_height；
步骤1.2.2，块划分和块内系数重排列：在每个条带内部，依次进行块block划分；限定块的尺寸，且尺寸包括4x4，即块宽度和块高度都为4，且块高度和条带高度相等；每个条带包含的块个数slice_block_count = width * 3 / 4；每个块包含16个系数，对块内系数做重排列。
实施例4
在实施例1的基础上，在步骤1.3中，所述对重排列后的系数进行哈达玛变换，包括如下子步骤：
对重排列后的系数，按相邻的每4个系数为一组，进行2 * 2哈达玛变换。
实施例5
在实施例1的基础上，在步骤1.4中，所述对哈达玛变换后的系数做量化处理，包括如下子步骤：
步骤1.4.1，使用量化表进行量化处理，且在量化表中设定量化参数qp允许的取值范围，建立量化参数qp与量化步长qstep的关系；
步骤1.4.2，对每个条带，设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设量化偏移qp_bias。
实施例6
在实施例1的基础上，在步骤1.5中，所述块的非零状态编码，包括如下子步骤：
命名块内系数全为0的块为全零块，称存在非零系数的块为非零块；对一个条带的全零块和非零块，按如下步骤进行编码：
1），若条带的第0个块是全零块，则块状态block_state = 0；反之，若条带的第0个块是非零块，则块状态block_state = 1；在编码码流中用1个bit记录初始的块状态；
2），初始化变量，块状态连续长度run_count = 1；
3），从条带的第1个块开始向后扫描；
4），如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state相同，则块状态连续长度run_count加1；继续向后扫描；
5）如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state不相同，则对当前的(run_count – 1)这个数值做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面；然后，对块状态block_state取反，即block_state = block_state – 1，同时重新初始化块状态连续长度run_count = 1；继续向后扫描；
6）重复步骤4）和5），一直扫描到条带的最后一个块结束；对最后的(run_count –1)做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面。
实施例7
在实施例1的基础上，在步骤1.6中，所述块内系数编码，包括4x4块内系数编码，即：
对于4x4全零块，无需做块内系数编码；对于4x4非零块，块内含有非零系数，则需要做块内系数编码；所述块内系数编码具体包括：将4x4的非零块，进一步划分为4个2x2的子块；用4个bit分别记录4个2x2子块的非零状态，若2x2子块的4个系数全为0，则对应的bit记为0；若2x2子块的4个系数包含非零系数，则对应的bit记为1；
对于4x4的非零块，在编码时为每个4x4块在如下两种方式中选择码流长度更短的那种方式进行编码；
第一种：按子块模式进行编码，对应块编码模式1111～0001；
第二种：不按子块编码，直接对4x4块的每个系数进行编码，对应块编码模式0000。
实施例8
在实施例7的基础上，在块编码模式0000中，所述直接对4x4块的每个系数进行编码具体为依次对块内系数使用变长编码进行编码。
实施例9
在实施例7的基础上，在块编码模式1111～0001中，在块编码模式的4个bit中已经描述了子块的非零状态，全零子块无需再做系数编码；对于每个非零子块，存在两种情况：
1）4个系数由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“1”；
2）4个系数不是由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“0”；
对于第1）种情况，子块编码模式1，用3个bit的定长编码子块系数；
对于第2）种情况，子块编码模式0，依次对子块的4个系数使用变长编码进行编码。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。
Claims (9)
1.一种视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1.1，对输入的图像做二维小波变换，获得小波高频子带；
步骤1.2，对小波高频系数进行重排列；
步骤1.3，对重排列后的系数进行哈达玛变换；
步骤1.4，对哈达玛变换后的系数做量化处理；
步骤1.5，量化后，对块的非零状态编码；
步骤1.6，对块内系数编码。
2.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.1中，所述小波高频子带包括LH-Y、LH-U、LH-V、HL-Y、HL-U、HL-V、HH-Y、HH-U和HH-V九个子带。
3.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.2中，所述对小波高频系数进行重排列，包括如下子步骤：
步骤1.2.1，条带重排列：对小波高频系数划分条带slice，每个条带都包含对应行的子带的数据；设图像宽度为width，图像高度为height，则条带宽度slice_width = width *3，条带高度slice_height固定等于4，总共划分的条带个数slice_count = height / 2 /slice_height；
步骤1.2.2，块划分和块内系数重排列：在每个条带内部，依次进行块block划分；限定块的尺寸，且尺寸包括4x4，即块宽度和块高度都为4，且块高度和条带高度相等；每个条带包含的块个数slice_block_count = width * 3 / 4；每个块包含16个系数，对块内系数做重排列。
4.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.3中，所述对重排列后的系数进行哈达玛变换，包括如下子步骤：
对重排列后的系数，按相邻的每4个系数为一组，进行2 * 2哈达玛变换。
5.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.4中，所述对哈达玛变换后的系数做量化处理，包括如下子步骤：
步骤1.4.1，使用量化表进行量化处理，且在量化表中设定量化参数qp允许的取值范围，建立量化参数qp与量化步长qstep的关系；
步骤1.4.2，对每个条带，设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设量化偏移qp_bias。
6.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.5中，所述块的非零状态编码，包括如下子步骤：
命名块内系数全为0的块为全零块，称存在非零系数的块为非零块；对一个条带的全零块和非零块，按如下步骤进行编码：
1），若条带的第0个块是全零块，则块状态block_state = 0；反之，若条带的第0个块是非零块，则块状态block_state = 1；在编码码流中用1个bit记录初始的块状态；
2），初始化变量，块状态连续长度run_count = 1；
3），从条带的第1个块开始向后扫描；
4），如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state相同，则块状态连续长度run_count加1；继续向后扫描；
5）如果当前扫描块的块状态与当前的块状态block_state不相同，则对当前的(run_count – 1)这个数值做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面；然后，对块状态block_state取反，即block_state = block_state – 1，同时重新初始化块状态连续长度run_count = 1；继续向后扫描；
6）重复步骤4）和5），一直扫描到条带的最后一个块结束；对最后的(run_count – 1)做0阶指数哥伦布编码并记录到编码码流里面。
7.根据权利要求1所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在步骤1.6中，所述块内系数编码，包括4x4块内系数编码，即：
对于4x4全零块，无需做块内系数编码；对于4x4非零块，块内含有非零系数，则需要做块内系数编码；所述块内系数编码具体包括：将4x4的非零块，进一步划分为4个2x2的子块；用4个bit分别记录4个2x2子块的非零状态，若2x2子块的4个系数全为0，则对应的bit记为0；若2x2子块的4个系数包含非零系数，则对应的bit记为1；
对于4x4的非零块，在编码时为每个4x4块在如下两种方式中选择码流长度更短的那种方式进行编码；
第一种：按子块模式进行编码，对应块编码模式1111～0001；
第二种：不按子块编码，直接对4x4块的每个系数进行编码，对应块编码模式0000。
8.根据权利要求7所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在块编码模式0000中，所述直接对4x4块的每个系数进行编码具体为依次对块内系数使用变长编码进行编码。
9.根据权利要求7所述的视频图像小波变换高频系数按限定尺寸分块编码方法，其特征在于，在块编码模式1111～0001中，在块编码模式的4个bit中已经描述了子块的非零状态，全零子块无需再做系数编码；对于每个非零子块，存在两种情况：
1）4个系数由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“1”；
2）4个系数不是由3个0和1个±1组成；在编码码流中用1个bit，记录子块编码模式为“0”；
对于第1）种情况，子块编码模式1，用3个bit的定长编码子块系数；
对于第2）种情况，子块编码模式0，依次对子块的4个系数使用变长编码进行编码。
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