CN107318016A - 一种基于零块分布的hevc帧间预测模式快速判定方法 - Google Patents
一种基于零块分布的hevc帧间预测模式快速判定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明针对帧间预测过程，提出一种基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法并将其应用于帧间PU预测模式判决中，充分利用CU块经变换量化后残差块中的零块分布信息，通过统计图像纹理由简单到复杂的一系列视频序列，分析得出CU所含零块数目和零块分布特征，根据它们与PU预测模式之间的相关性，对PU预测模式进行分类筛选，从而达到最大程度保证编码质量的同时，最大限度地提高编码效率。本发明能够极大降低算法复杂度，同时能够精确地判定零块，提高算法准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于HEVC(High Efficiency Video Coding)帧间模式判定的新方法，尤其是一种基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法。
背景技术
HEVC是新一代的视频编码标准，它是为了满足人们对于视频的高清、超高清、3D和移动无线通信等新要求而提出，并在2013年1月正式成为国际标准。与已经得到广泛应用的上一代视频编码标准H.264相比，HEVC的帧间预测引入新的技术，有运动合并技术(MotionMerge)和先进运动矢量预测(Advance Motion Vector Prediction，AMVP)以及增加非对称预测模式等，虽然增加了帧间预测的精确度，也显著节省编码比特数以及编码图像质量，但是也大大增加了帧间预测的计算复杂度。HEVC相比H.264/AVC的帧间预测编码，在预测单元的划分上由于增加了非对称分割，使帧间预测单元PU(Prediction Unit)的可选模式达到了8种。通过遍历比较各预测模式率失真代价值RDCost(Rate Distortion Cost)筛选出最佳预测模式，并在最佳模式的基础上利用基于块的运动补偿技术预测当前PU，计算出残差值，最终对残差进行变换、量化和熵编码。其中，最佳CU(Coding Unit)及对应PU模式的筛选是帧间预测编码计算复杂度的主要来源。因此，减少帧间PU模式的遍历次数，对于降低帧间预测时间，提高编码效率至关重要。
针对这个改进角度，不少学者进行了研究，最常用的减少PU模式遍历降低复杂度的方法有：利用时空域相关性法、CU深度相关性法、绝对差值和法和样点自适应偏移参数法等，这些方法在一定程度上能够减少PU模式遍历次数，降低编码复杂度，但是对于HEVC帧间预测编码来说，还有进一步提升的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法。对比于之前的其他方法，本方法创新性的提出利用零块数目及其分布特征与PU模式之间相关性，更进一步的降低了帧间预测的编码的复杂度，并且利用更精确的模型来判定最佳PU模式，能够很好的应用到于实际工程去。
为达到上述目的，本发明的构思是：
零块判决是分析零块分布的至关重要环节，判决的准确度直接关系到本发明的最终算法性能。首先对编码单元CU在Merge和帧间2N×2N模式进行零块判决，判决后根据零块数目库及其分布位置的不同进行分类，然后根据不同的分类采取不同的帧间预测模式，避免逐一遍历所有预测模式以减少帧间预测时间，具体是：首先对编码单元进行Merge和帧间2N×2N模式预测，得到残差后进行N×N变换和量化，通过设计的零块判决公式对每一块进行零块判决；统计CU包含的N×N零块个数，再分析各零块数目下的分布特征，然后根据不同的分布特征分类遍历不同的帧间预测模式。
根据上述构思，本发明的技术方案是：
一种基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，操作步骤如下：
1)预测分割：编码单元分别进行Merge模式和帧间2N×2N模式预测，获取残差后一分为四；
2)零块判决及其数目统计：对残差块进行N×N变换和量化，应用设计的新零块公式进行零块判决并统计分割后当前CU在Merge模式和帧间2N×2N模式下的零块个数，分别记为M与N；
3)分析零块分布选取预测模式：若M＝4，且N＝4，则选取SKIP模式；若M！＝4，当N＝4则选取Inter_2N×2N；当N＝3，大部分选取Inter_2N×2N模式，若视频序列水平运动较多，Inter_2N×N更适合；若视频序列垂直运动较多，Inter_N×2N效果更好，而AMP_VER模式适当考虑；当N＝2，零块分布呈水平分布时，选取Inter_2N×N；垂直分布时，选取Inter_N×2N；对角分布时，需考虑每一种模式；当N＝1或0，需依次遍历各模式；
4)计算时间复杂度：根据步骤3)得到的结果，计算选取每类下各预测单元PU所选取预测模式的率失真代价值；
5)决定预测模式：根据步骤4)中得到的结果，比较各PU预测模式的率失真代价值大小，确定最小率失真代价值的预测模式为当前PU的预测模式。
上述步骤1)中，将CU经Merge模式和帧间2N×2N模式预测得到的残差块划分成4个N×N的残差块。
上述步骤2)中，指对残差块即TU(Transform Unit)块系数进行整数DCT变换，对一个N×N变换单元计算如下：
Y＝HXHT
其中，X为N×N残差系数矩阵，Y为经过变换后的系数矩阵，H为N×N变换矩阵，其定义如下所示：
其中，k,n＝0,1,……,N-1；
对变换后Y中的系数Yi,j进行量化，为了提高量化过程的率失真性能，采用率失真优化的(Rate Distortion Optimized Quantization，RDOQ)量化方法，给变换系数Yi,j提供多个可选的量化值Z(i,j),1，Z(i,j),2，……，Z(i,j),k，利用RDOQ准则从中选出一个最优的量化值，如下所示：
其中D为Yi,j量化为Z(i,j),k时的失真，R表示Yi,j量化为Z(i,j),k时所需编码比特数，λ为拉格朗日因子，Z*为最优量化值；得到所有经过RDOQ量化后的Zi,j系数绝对值和，如下式：
当通过上式计算得SQTC(Sum of Quantization Transform Coefficients)为零，则N×N变换单元定义为零块。
上述步骤3)中，通过对一系列纹理由简单到复杂视频序列中所含所有CU单元中包含零块个数与其对应PU预测模式统计后，分析发现CU单元中零块的个数及其分布特征与对应PU预测模式存在很强的相关性。
上述步骤4)中，经过步骤3)确定所选取PU预测模式，若零块数目小于4即非全零块，则需进一步比较所选预测模式的编码复杂度即简化率还真代价Jmode：
式中：SATD为Hadamard变换，Oidx[i][j]表示原始像素值，Pidx[i][j]为预测像素值，idx为当前PU模式中分割块的标号，R'mode为估计码率值。
上述步骤5)中，比较步骤4)中非全零块所选PU预测模式的简化率失真代价Jmode，确定最小的Jmode所对应的PU预测模式为最佳预测模式；若是全零块，则直接确定SKIP模式为最佳预测模式。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明针对帧间预测过程，提出一种新的零块判决方法并将其应用于帧间PU预测模式判决中，充分利用CU块经变换量化后残差块中的零块分布信息，通过统计图像纹理由简单到复杂的一系列视频序列，分析得出CU所含零块数目和零块分布特征，根据它们与PU预测模式之间的相关性，对PU预测模式进行分类筛选，从而达到最大程度保证编码质量的同时，最大限度地提高编码效率。本发明能够极大降低算法复杂度，同时能够精确地判定零块，提高算法准确度。
附图说明
图1是本发明中所发现CU单元中零块个数及其分布与PU预测模式的统计图。
图2是本发明的基于纹理复杂度的HEVC快速编码尺寸判定方法的流程框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例的具体步骤如图2流程图所示。在计算机平台上编程实现本发明的方法，利用零块判决方法判定CU中所含零块数目及其分布特征快速判定最佳PU预测模式。
参见图1，本发明基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，首先对编码单元CU在Merge和帧间2N×2N模式进行零块判决，判决后根据零块的数据及其分布位置的不同进行分类，然后根据不同的分类采取不同的帧间预测模式，避免逐一遍历所有预测模式以减少帧间预测时间，具体是：首先对编码单元进行Merge和帧间2N×2N模式预测，得到残差后进行N×N变换和量化，通过设计的零块判决公式对每一块进行零块判决；统计CU包含的N×N零块个数，再分析各零块数目下的分布特征，然后根据不同的分布特征分类遍历不同的帧间预测模式。
本发明方法步骤是：
(1)预测分割：编码单元进行帧间2N×2N模式预测获取残差后一分为四；
(2)零块判决及其数目统计：对残差块进行N×N变换和量化，应用设计的新零块公式进行零块判决并统计分割后当前CU在Merge和帧间2N×2N模式下的零块个数，分别记为M与N；
(3)分析零块分布选取预测模式：若M＝4，且N＝4，则选取SKIP模式。若M！＝4，当N＝4则选取Inter_2N×2N；当N＝3，大部分选取SKIP、Inter_2N×2N模式，若视频序列水平运动较多，Inter_2N×N更适合；若视频序列垂直运动较多，Inter_N×2N效果更好，而AMP_VER模式可适当考虑。当N＝2，零块分布呈水平分布时，选取Inter_2N×N；垂直分布时，选取Inter_N×2N；对角分布时，需考虑每一种模式。当N＝1或0，需依次遍历各模式。
(4)计算时间复杂度：根据步骤(3)得到的结果，计算选取每类下各预测单元PU所选取预测模式的率失真代价值；
(5)决定预测模式：根据步骤(4)中得到的结果，比较各PU预测模式的率失真代价值大小，确定最小率失真代价值的预测模式为当前PU的预测模式。
上述步骤(1)中的CU分割，是指将CU经Merge和帧间2N×2N模式预测得到的残差块划分成4个N×N的残差块。
上述步骤(2)中的零块判决，是指对残差块即TU块系数进行整数DCT变换，对一个N×N变换单元计算如下：
Y＝HXHT
其中，X为N×N残差系数矩阵，Y为经过变换后的系数矩阵，H为N×N变换矩阵，其定义如下所示：
其中，k,n＝0,1,……,N-1。
对变换后Y中的系数Yi,j进行量化，为了提高量化过程的率失真性能，我们采用RDOQ(Rate Distortion Optimized Quantization)量化方法，给变换系数Yi,j提供多个可选的量化值Z(i,j),1，Z(i,j),2，……，Z(i,j),k，利用RDO准则从中选出一个最优的量化值，如下所示：
其中D为Yi,j量化为Z(i,j),k时的失真，R表示Yi,j量化为Z(i,j),k时所需编码比特数，λ为拉格朗日因子，Z*为最优量化值。得到所有经过RDOQ量化后的Zi,j系数绝对值和，如下式：
当通过上式计算得SQTC(Sum of Quantization Transform Coefficients)为零，则N×N变换单元定义为零块。
上述步骤(3)中的分析零块分布选取预测模式，是指通过对一系列纹理由简单到复杂视频序列中所含所有CU单元中包含零块个数与其对应PU预测模式统计后，如附图1所示。分析发现CU单元中零块的个数及其分布特征与对应PU预测模式存在很强的相关性，如步骤(3)中所述规律。
上述步骤(4)中的计算时间复杂度，是指经过步骤(3)确定所选取PU预测模式，若零块数目小于4即非全零块，则需进一步比较所选预测模式的编码复杂度即简化率还真代价Jmode：
式中：SATD为Hadamard变换，Oidx[i][j]表示原始像素值，Pidx[i][j]为预测像素值，idx为当前PU模式中分割块的标号。R'mode为估计码率值。
上述步骤(5)中的决定最佳预测模式，是指比较步骤(4)中非全零块所选PU预测模式的简化率失真代价Jmode，确定最小的Jmode所对应的PU预测模式为最佳预测模式。若是全零块，则直接确定SKIP模式为最佳预测模式。
Claims (6)
1.一种基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，操作步骤如下：
1)预测分割：编码单元分别进行Merge模式和帧间2N×2N模式预测，获取残差后一分为四；
2)零块判决及其数目统计：对残差块进行N×N变换和量化，应用设计的新零块公式进行零块判决并统计分割后当前CU在Merge模式和帧间2N×2N模式下的零块个数，分别记为M与N；
3)分析零块分布选取预测模式：若M＝4，且N＝4，则选取SKIP模式；若M！＝4，当N＝4则选取Inter_2N×2N；当N＝3，大部分选取Inter_2N×2N模式，若视频序列水平运动较多，Inter_2N×N更适合；若视频序列垂直运动较多，Inter_N×2N效果更好，而AMP_VER模式适当考虑；当N＝2，零块分布呈水平分布时，选取Inter_2N×N；垂直分布时，选取Inter_N×2N；对角分布时，需考虑每一种模式；当N＝1或0，需依次遍历各模式；
4)计算时间复杂度：根据步骤3)得到的结果，计算选取每类下各预测单元PU所选取预测模式的率失真代价值；
5)决定预测模式：根据步骤4)中得到的结果，比较各PU预测模式的率失真代价值大小，确定最小率失真代价值的预测模式为当前PU的预测模式。
2.根据权利要求1所述的基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，所述步骤1)中，将CU经Merge模式和帧间2N×2N模式预测得到的残差块划分成4个N×N的残差块。
3.根据权利要求1所述的基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，所述步骤2)中，指对残差块即TU块系数进行整数DCT变换，对一个N×N变换单元计算如下：
Y＝HXHT
其中，X为N×N残差系数矩阵，Y为经过变换后的系数矩阵，H为N×N变换矩阵，其定义如下所示：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mrow>
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</mrow>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
其中，k,n＝0,1,……,N-1；
对变换后Y中的系数Yi,j进行量化，为了提高量化过程的率失真性能，采用RDOQ量化方法，给变换系数Yi,j提供多个可选的量化值Z(i,j),1，Z(i,j),2，……，Z(i,j),k，利用RDOQ准则从中选出一个最优的量化值，如下所示：
<mrow>
<msup>
<mi>Z</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>=</mo>
<munder>
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<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>}</mo>
</mrow>
其中D为Yi,j量化为Z(i,j),k时的失真，R表示Yi,j量化为Z(i,j),k时所需编码比特数，λ为拉格朗日因子，Z*为最优量化值；得到所有经过RDOQ量化后的Zi,j系数绝对值和，如下式：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mi>Q</mi>
<mi>T</mi>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>0</mn>
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<mi>N</mi>
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<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>|</mo>
</mrow>
当通过上式计算得SQTC为零，则N×N变换单元定义为零块。
4.根据权利要求1所述的基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，所述步骤3)中，通过对一系列纹理由简单到复杂视频序列中所含所有CU单元中包含零块个数与其对应PU预测模式统计后，分析发现CU单元中零块的个数及其分布特征与对应PU预测模式存在很强的相关性。
5.根据权利要求1所述的基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，所述步骤4)中，经过步骤3)确定所选取PU预测模式，若零块数目小于4即非全零块，则需进一步比较所选预测模式的编码复杂度即简化率还真代价Jmode：
<mrow>
<msub>
<mi>J</mi>
<mrow>
<mi>mod</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
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<mi>A</mi>
<mi>T</mi>
<mi>D</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
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<mo>(</mo>
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<mi>j</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>&lambda;R</mi>
<mrow>
<mi>mod</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
</mrow>
式中：SATD为Hadamard变换，Oidx[i][j]表示原始像素值，Pidx[i][j]为预测像素值，idx为当前PU模式中分割块的标号，R'mode为估计码率值。
6.根据权利要求1所述的基于零块分布的HEVC帧间预测模式快速判定方法，其特征在于，所述步骤5)中，比较步骤4)中非全零块所选PU预测模式的简化率失真代价Jmode，确定最小的Jmode所对应的PU预测模式为最佳预测模式；若是全零块，则直接确定SKIP模式为最佳预测模式。
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