TWI504209B - 畫像解碼方法 - Google Patents

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Mitsubishi Electric Corp
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Description

畫像解碼方法
本發明通常係關於畫像寫碼(coding)，尤其係關於在畫像編碼(encoding)與解碼(decoding)的情況下，利用階層轉換單元的畫像寫碼方法。
對於目前在如H.264/MPEG-4 AVC的發展下的高效能視訊寫碼(High Efficiency Video Coding，簡稱HEVC)標準而言，應用轉換單元(Transform Unit，簡稱TU)在殘留區塊係由如在2010年12月《IEEE視訊技術的電路與系統期刊(IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology)》，第20冊，編號12，第1676-1687頁，名稱為「利用巢狀四元樹結構、葉合併、與運動展現的改良技術、以及亂度寫碼的視訊壓縮(Video Compression Using Nested Quadtree Structures,Leaf Merging,and Improved Techniques for Motion Representation and Entropy Coding)」中所述之樹狀(tree)表示。
寫碼層(coding layer)
在標準中定義的階層寫碼層包含視訊序列、畫像、片段(slice)與樹塊層(treeblock layer)。較高層包括較低層。
樹塊
根據提議的標準，一畫像可劃分成數個片段，且每一片段在光柵掃描(raster scan)中劃分成連續排列的一連 串樹塊(TB)。畫像與樹塊在諸如H.264/AVC的先前視訊寫碼標準中，大致分別類似於訊框(frame)與巨塊(macroblock)。最大允許的樹塊大小為64x64像素非線性亮度(強度)、與色度(顏色)樣本。
寫碼單元(Coding Unit，簡稱CU)
一寫碼單元為用於內(Intra)與間(Inter)預測的基本分割單元。內預測(intra prediction)操作在一單畫像的空間域，而間預測(inter prediction)操作在所要預測畫像與一組先前解碼畫像中的時間域。該寫碼單元始終為正方形(square)，且可為128x128(LCU)、64x 64、32x32、16 x16與8x 8像素。寫碼單元允許重覆分割成四個相等大小區塊，從樹塊開始。此處理(process)提供一包括寫碼單元區塊的內容調適性寫碼樹狀結構，該寫碼單元區塊可與樹塊一樣大，或與8x8像素一樣小。
預測單元(Prediction Unit，簡稱PU)
一預測單元(PU)為用於運送有關預測處理的資訊(資料)之基本單元。一般而言，為了促進劃分，該預測單元不限制為正方形，其符合，例如，畫像中實際物件的邊界。每一寫碼單元可包括一或多個預測單元。
轉換單位(TU)
如第1圖所示，轉換樹100的一根節點101對應應用於一資料區塊110的一NxN轉換單元或「轉換單元(TU)」。該轉換單元為用於轉換與量子化處理的基本單元。在提議的標準中，該轉換單元始終為正方形，且可採用從4x4至 32x32像素的大小。該轉換單元不能夠大於預測單元，且不超過寫碼單元的大小。多重轉換單元能夠以樹狀結構配置，以下稱為轉換樹(transform tree)。每一寫碼單元可包括一或多個轉換單元，其中，多重轉換單元能夠以樹狀結構配置。
示範之轉換樹為具有四位準(level)0-3的四元樹。如果該轉換樹分割一次，那麼係應用四個N/2xN/2轉換單元。這些轉換單元之每一者可隨後分割成一預先定義的限制。對於內經寫碼之畫像而言，轉換樹係應用在內預測殘留資料的「預測單元(PU)」上。這些預測單元目前定義為2Nx2N、2NxN、Nx2N或NxN像素大小的正方形或長方形(rectangle)。對於內經寫碼之畫像而言，正方形轉換單元必須整體包含在一預測單元內，因此，最大允許的轉換單元大小典型為2Nx2N或NxN像素。在此轉換樹狀結構中介於a-j轉換單元與a-j預測單元之間的關係顯示在第1圖。
如第2圖所示，一新的預測單元結構已提議於如Cao等人在2011年3月在JCTVC-E278名稱為「短距內預測方法(Short Distance Intra Prediction Method，簡稱SDIP)的CE6.b1報告」所述的提議HEVC標準。利用SDIP方法，預測單元像可為長條或長方形201，與一或兩像素寬一樣小，例如Nx2、2xN、Nx1或1xN像素。當重疊一轉換樹在已劃成此窄預測單元的一內經寫碼之區塊時，該轉換樹會分割成該轉換單元的大小只為2x2或1x1的位準。轉換單元大小不能夠大於預測單元大小；否則，轉換與預測處理 會複雜化。利用這些新預測單元結構的先前技術SDIP方法係定義，例如，為1xN與2xN轉換單元。由於長方形轉換單元大小，所以先前技術無法與在HEVC標準的目前草稿規格中的轉換樹狀結構相容。SDIP不使用在標準中使用的轉換樹，反而，由預測單元的大小隱含表示轉換單元的大小。
因此，存在著需要一方法係分割及應用正方形與長方形轉換單元在長方形上，且有時為非常窄的長方形預測單元，而仍可維持如提議標準所定義之轉換單元的樹狀結構。
一位元流(bitstream)包含經寫碼之畫像、與分割旗標。該分割旗標用於產生一轉換樹。有效地，該位元流為劃分寫碼單元(CU)成為預測單元(PU)。
根據該分割旗標而產生該轉換樹。該轉換樹中的節點代表與寫碼單元有關的轉換單元(TU)。
只有在對應的分割旗標被設定時，該產生便會分割每一轉換單元。
對於包含多重轉換單元的每一預測單元而言，多重轉換單元係合併成一較大的轉換單元，且根據分割與合併而修改該轉換樹。
然後，根據該轉換樹，利用與預測單元有關的轉換單元，可解碼每一預測單元中包含的資料。
本發明的具體實施例提供一種利用階層轉換單元(TU)的畫像寫碼方法。寫碼包含編碼與解碼。一般而言，編碼 與解碼係以一編解碼器(CODer-DECcoder，簡稱codec)執行。該編解碼器為能夠編碼及/或解碼一數位資料流或信號的一裝置或電腦程式。例如，該編碼器係編碼一位元流或信號以供壓縮、傳輸、儲存、或加密，且該解碼器係解碼該經編碼之位元流以供播放或編輯。
該方法係應用正方形與長方形轉換單元在畫像之長方形部分上，且有時為非常窄的長方形部分，而仍維持如在高效能視訊編碼(High Efficiency Video Coding，簡稱HEVC)標準中所定義之轉換單元(TU)的階層轉換樹狀結構。轉換可視為轉換或逆轉換。在較佳具體實施例中，該轉換樹為四元樹(Q-tree)，不過，諸如二元樹(B-tree)與八元樹、通常N元樹的其他樹狀結構亦可能。
該方法的輸入為一劃分成預測單元(PU)的NxN寫碼單元(CU)。本發明產生一用來應用轉換單元在預測單元上的一轉換樹。
解碼系統
第3圖顯示本發明的具體實施例所使用的一示範解碼器與方法系統300，也就是說，該方法的步驟是由解碼器執行，該解碼器可為如所屬技術中熟知的軟體、韌體、連接記憶體之處理器、及輸入/輸出介面。
該方法(或解碼器)的輸入為經寫碼之畫像的一位元流301，例如，視訊中的一影像或一序列影像。該位元流會被剖析(parse)310以獲得用於產生轉換樹的分割旗標311。該分割旗標係與一轉換樹221的對應節點之轉換單元、以及所 要處理的資料312(例如NxN資料區塊)有關。該資料包含一劃分，其係將寫碼單元(CU)劃分成預測單元(PU)。
換句話說，任何節點代表在轉換樹的特定深度處的一轉換單元。在大部份情況下，只實現在葉節點處的轉換單元。不過，編解碼器(codec)可在轉換樹的階層較高節點處實施該轉換單元。
該等分割旗標用來產生320一轉換樹321。然後，根據該轉換樹以解碼在預測單元中的資料，以產生經解碼之資料302。
產生步驟320包含只有在該分割旗標311被設定時，才分割350每一轉換單元。
對於包含多重轉換單元的每一預測單元而言，多重轉換單元合併成一較大的轉換單元。例如，一16x8預測單元可由兩個8x8轉換單元劃分。這兩個8x8轉換單元可合併成一16x8轉換單元。在另一範例中，一64x64正方形預測單元被劃分成十六個8x32轉換單元。這些轉換單元中的四個轉換單元為合併成一32x32正方形轉換單元，且其他轉換單元保留為8x32長方形。該合併係解決具有許多非常小(例如1x1)轉換單元的先前技術問題，參閱Cao等人之先前技術。然後，根據分割與合併而修改370該轉換樹321。
可重複分割、劃分、合併與修改385，直到在該轉換單元的大小等於一預定最小值380。
在轉換樹產生320之後，利用與該預測單元有關的轉換單元，可解碼每一預測單元中包含的資料312。
現將描述各種不同具體實施例。
具體實施例1：
第4圖顯示劃分312輸入的寫碼單元成預測單元312、根據分割旗標反覆分割350(或不)該等預測單元、且隨後合併。
步驟1：轉換樹的一根節點對應涵蓋NxN轉換單元312的一初始NxN轉換單元。如第3圖所示，解碼器300接收的位元流301包括與此節點有關的分割旗標311。如果該分割旗標401未被設定，那麼對應的轉換單元不會分割，且完成此節點的處理。如果該分割旗標402被設定，那麼NxN轉換單元分割成轉換單元403。產生的轉換單元數目對應樹狀的結構，例如，四元樹為四個轉換單元。應注意，可改變由分割所產生的轉換單元數目。
然後，解碼器決定該預測單元是否包含數倍於轉換單元。舉例而言，一長方形預測單元包含多重轉換單元，例如，兩正方形轉換單元，每一者的大小為N/2xN/2。在此情況中，此預測單元的多重轉換單元合併404成與預測單元的尺寸對準(align)的一NxN/2轉換單元或一N/2xN長方形轉換單元405。該等長方形預測單元與轉換單元可包含對應長度的一較長軸、與對應寬度的一較短軸。合併正方形轉換單元成較大的長方形轉換單元係免除一長窄的長方形分割成許多小正方形轉換單元的問題，如參閱Cao等人在先前技術的說明。合併亦可減少預測單元中的轉換單元數目。
具有許多小轉換單元的效果通常小於具有一些較大轉換單元的效果，特別地係在這些轉換單元的大小為很小，或在多重轉換單元涵蓋類似資料時。
然後修改該轉換樹。對應第一N/2xN/2轉換單元406的轉換樹之分枝會重新定義以對應合併的長方形轉換單元，且對應第二合併轉換單元的轉換樹之分枝會除去。
步驟2：對於在步驟1產生的每一節點而言，如果轉換單元的大小係等於一預先定義的最小值，便完成該節點的處理。當相關的分割旗標被設定時，或如果該節點的轉換單元不是整體包含在預測單元內，每一剩餘的節點會進一步分割。
不像步驟1，不過，節點分割的方式取決於預測單元的形狀，如第5圖所示，因為預測單元可具有任意的形狀與大小。此分割的執行如下面步驟2a或步驟2b所述。是否尋找在位元流的分割旗標、或當轉換單元涵蓋一個以上的預測單元時是否分割的決定可預先達成，也就是說，定義該系統使得該分割旗標會在位元流中發訊(signal)，或基於標準以推測該分割旗標，諸如最小或最大轉換單元大小，或是否一轉換單元跨越(span)多重預測單元。
隱式分割旗標(implicit split-flag)
或者，一「隱式分割旗標」可從位元流301剖析。如果該隱式分割旗標未被設定，那麼為該對應節點發訊該分割旗標。如果該隱式分割旗標被設定，那麼為此節點不會發訊該分割旗標，且分割決定係基於預先定義的分割條件 達成。預先定義的分割條件可包含其他因素，諸如轉換單元是否跨越多重預測單元，或如果不符合轉換單元大小限制。在此情況，該隱式分割旗標是在分割旗標(如果有的話)之前接收。
例如，該隱式分割旗標可於每一節點之前、每一轉換樹之前、每一影像或視訊訊框之前、或每一視訊序列之前接收。對於內預測單元而言，不允許一轉換單元跨越多重預測單元，因為預測單元是從一組相鄰的預測單元預測，所以這些相鄰的預測單元會完全解碼，逆轉換，及重建以用於預測目前的預測單元。
在另一範例中，隱式旗標不能夠被設定，但預先定義的度量或條件係用來決定是否不需要存在一分割旗標以分割一節點。
步驟2a：如果此節點的轉換單元為正方形，處理會返回步驟1，此節點會視為一新的根節點，且分割其成，例如大小N/4xN/4，的四個正方形轉換單元。
步驟2b：如果此節點的轉換單為長方形，例如，N/2xN，那麼節點分割成對應N/4xN轉換單元的兩節點。同樣地，一NxN/2轉換單元分割成對應NxN/4轉換單元的兩節點。然後對這些節點之每一者重覆步驟2的處理，確保長方形轉換單元沿著較長軸的方向分割，使得長方形轉換單元變得較薄。
具體實施例2：
在此具體實施例中，修改步驟2b使得與長方形轉換 單元有關的節點分割成多重節點，例如，四個節點與四個轉換單元。舉例而言，一N/2xN轉換單元分割成四個N/8xN轉換單元。此劃分成一較大轉換單元數目對於預測單元中的資料不同於預測單元中不同部分的情況可能有效益。此具體實施例只需要一四元樹位準，如此只需一分割旗標，以分割一轉換單元成四個長方形轉換單元，而不需要二元樹的兩位準以分割一長方形轉換單元成四個長方形轉換單元。此具體實施例可預先定義，或可以位元流中的一「多重分割旗標」發訊，類似發訊隱式旗標的方式。
具體實施例3：
在此，修改步驟1使得與正方形轉換單元有關的節點不會合併成長方形，直到在正方形轉換單元的大小小於一預先定義的臨限值(threshold)。例如，如果臨限值為四，那麼兩4x4轉換單元可涵蓋一長方形8x4預測單元。不過，兩2x2轉換單元無法涵蓋一4x2預測單元。在此情況，應用具體實施例1，且兩節點合併形成一4x2轉換單元以涵蓋4x2預測單元。由於效能或複雜度考慮，所以此具體實施例對於正方形預測單元為較佳的情況會很有用，且由於正方形轉換單元的小尺寸，所以只有當正方形轉換單元失去效力時，則使用長方形轉換單元。
具體實施例4：
在此具體實施例中，修改步驟2b使得與長方形轉換單元有關的節點可分割形成兩個以上的正方形或長方形轉換單元，其中，該分割不必然對準於長方形的較長尺寸。 例如，一16x4轉換單元可分割成四個4x4轉換單元或兩個8x4轉換單元。是否分割成一正方形或長方形轉換單元的選擇可由位元流中的一旗標明確表示，如隱式旗標的情況，或其可預先定義為編碼/解碼處理的部分。
此具體實施例典型用於非常大的長方形轉換單元，例如，64x16，使得使用八個16x16轉換單元而不是使用兩個64x8轉換單元。另一範例分割一64x16轉換單元成四個32x 8轉換單元。例如，一非常長的水平轉換單元可產生假影(artifact)，諸如在水平方向的環狀，所以此具體實施例係藉由減少一長方形轉換單元的最大長度以減少假影。此最大的長度亦可包含如同在位元流中的信號。同樣地，可指定一最大的寬度。
具體實施例5：
在此具體實施例中，修改步驟1使得NxN轉換單元直接分割成長方形轉換單元，也就是說，除了大小N/2xN/2之外。例如，NxN轉換單元可分割成四個N/4xN轉換單元。此具體實施例不同於具體實施例2，在於一正方形轉換單元可直接分割成多重長方形轉換單元，即使預測單元可為正方形。
此具體實施例對於預測單元的特徵為水平或垂直導向的情況很有用，使得對準於特徵的方向的一水平或垂直長方形轉換單元比分割在預測單元之導向資料的多重正方形轉換單元可更有效率。特徵可包含顏色、邊緣、凸起、角落、物件及其他興趣點。如前所述，是否執行此種分割 可預先定義或發訊，如隱含分割旗標的情況。
具體實施例6：
在此具體實施例中，修改步驟1使得一轉換單元可跨越多重預測單元。當預測單元為間預測時，此會發生。例如，間預測的預測單元利用來自先前經解碼之畫像的資料來預測，不是利用來自從相同寫碼單元內所解碼的資料。一轉換可因此應用在一寫碼單元內的多重預測單元。
300‧‧‧解碼器
301‧‧‧位元流
302‧‧‧經解碼之資料
310‧‧‧位元流剖析器
311‧‧‧與轉換樹節點有關的分割旗標
312‧‧‧包含NxN資料區塊之所要處理的其他資料
320‧‧‧轉換樹產生器
330‧‧‧解碼器
第1圖為根據先前技術之用於轉換單元的樹分割之圖式；第2圖為根據先前技術之分解成長方形預測單元之圖式；第3圖為本發明之具體實施例所使用的一示範解碼系統之流程圖；第4圖為根據本發明之轉換樹產生的第一步驟之圖式；以及第5圖為根據本發明之轉換樹產生的第二步驟之圖式。
300‧‧‧解碼器
301‧‧‧位元流
302‧‧‧經解碼之資料
310‧‧‧位元流剖析器
311‧‧‧與轉換樹節點有關的分割旗標
312‧‧‧包含NxN資料區塊之所要處理的其他資料
320‧‧‧轉換樹產生器
330‧‧‧解碼器

Claims (20)

  1. 一種畫像解碼方法，包括下列步驟：剖析包含經寫碼之畫像的位元流，以獲得用於產生轉換樹的分割旗標，以及用以定義寫碼單元被劃分成預測單元的劃分資料；根據該等分割旗標產生該轉換樹，其中，在該轉換樹中之節點代表與該等寫碼單元直接有關的轉換單元，其中，該產生進一步包括下列步驟：只有在該分割旗標被設定時，分割每一轉換單元；根據該分割，修改該轉換樹；及根據該轉換樹，利用與該預測單元有關的該等轉換單元，解碼包含在每一預測單元中的資料；其中上述步驟係在處理器中執行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該產生進一步包括：對於包含多重轉換單元的每一預測單元而言，合併該等多重轉換單元成一較大的轉換單元；根據該合併，修改該轉換樹；其中，正方形轉換單元被分割成多重長方形轉換單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的畫像解碼方法，進一步包括下列步驟：重複該分割、該合併與該修改，直到每一轉換單元的大小等於一預定最小值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的畫像解碼方法，其中，當對於特定節點的該轉換單元沒有整體包含在該有關的預測單元內時，持續該重複。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該位元流包含隱式分割旗標，且如果該隱式分割旗標未被設定時，則在該位元流中針對該轉換樹中之該對應節點發訊該分割旗標。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的畫像解碼方法，其中，該位元流包含隱式分割旗標，且只有在該隱式分割旗標被設定且預先定義的分割條件達成時，才執行該重複。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，長方形轉換單元的該分割係沿著該長方形轉換單元的較長軸的方向。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該分割產生兩個以上的轉換單元。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，減少該等轉換單元的最大長度或最大寬度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該等預測單元具有任意的形狀與大小。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該分割產生長方形轉換單元。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，水平長方形轉換單元或垂直長方形轉換單元係對準於在該預測單元中之特徵的方向。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該預測單元包含視訊資料的部分。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該預測單元包含自預測處理獲得之殘留資料。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，該轉換樹係N元樹。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，長方形轉換單元的該分割係沿著較短軸的方向。
  17. 如申請專利範圍第2項所述的畫像解碼方法，其中，正方形或長方形轉換單元被合併成較大的轉換單元。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的畫像解碼方法，其中，對於該轉換樹之不同節點，該N元樹之N值係不同。
  19. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，當該等預測單元為間預測時，該轉換單元跨越多重預測單元。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的畫像解碼方法，其中，由該轉換樹的葉節點代表該等轉換單元。
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