CN107995489A - 一种用于p帧或b帧的帧内帧间组合预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种用于P帧或B帧的帧内帧间组合预测的方法，通过率失真优化RDO决策自适应地选择是否使用所述帧内帧间组合预测；帧内帧间组合预测使用帧内预测块和帧间预测块加权的方法得到最终预测块；帧内预测块和帧间预测块的加权系数根据预测方法的预测失真统计得到；由此能够增加预测精度，提升预测块的编码和解码效率；本发明充分利用帧内预测和帧间预测的优势，选择这两种方法预测最优的部分组合在一起，而且可以一定程度上去除帧内预测块和帧间预测块失真过大的区域，获得更好的预测效果；实用性和鲁棒性俱佳。

Description

一种用于P帧或B帧的帧内帧间组合预测方法
技术领域
本发明涉及视频编码技术领域，具体涉及一种用于帧间预测帧(即P帧或是B帧)的预测方法，可将帧内预测块和帧间预测块相结合得到最终的预测块，增强预测的准确度，从而提升编码效率。
背景技术
在视频编码中，帧内预测和帧间预测是非常有效的工具，可以去除视频序列中的冗余信息。具体来说，帧间预测利用当前帧与其参考帧之间的相关性减小时域冗余，而帧内预测利用空间相邻像素点之间的相似性消除空域冗余。
在现在编码标准中，帧内预测和帧间预测相互独立。帧内预测被用于帧内预测帧(I帧)或是帧间预测帧中的帧内预测块，而帧间预测只能用在帧间预测帧中(前向预测帧P帧或是双向预测帧B帧)。
上述预测技术主要存在的缺陷是：
现有帧内预测和帧间预测方法相互独立，并没有综合考虑帧内预测和帧间预测的优势和缺陷，只是通过编码端决策选择最优的预测模式，无法更好的发挥两种预测方法的优势，因此在一定程度上局限了预测的性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于P帧或B帧的帧内帧间组合预测方法，用以有效地减小预测块失真，提升预测块的预测精度。
本发明提供的技术方案是：
一种用于P帧或B帧的帧内帧间组合预测方法，通过率失真优化(Rate distortionoptimization,RDO)决策自适应地选择是否使用该预测方法；本发明中的预测方法使用帧内预测块和帧间预测块加权的方式得到最终的预测块；其中帧内预测块和帧间预测块的加权系数根据两种预测方法的预测失真统计得到；由此能够增加预测精度，提升预测块的编码效率；包括如下步骤：
1)在编码端对每一个编码单元(Coding unit,CU)进行率失真优化，执行如下操作：
11)首先，对一个编码单元(Coding unit,CU)进行帧内预测
12)之后，对该编码单元(Coding unit，CU)进行帧间预测；
13)对帧内预测和帧间预测进行加权平均，得到帧内帧间组合预测块；
14)通过RDO决策确定是否使用帧内帧间组合预测方法；每一个编码单元中均传输1-bit的标记到码流中，用于标识是否使用了帧内帧间组合预测方法；
15)若使用了帧内帧间组合预测方法，则将所用到的帧间预测信息写入码流中。
在帧内帧间组合预测中，帧间预测信息用于产生帧间预测块。所使用的帧间预测模式不同，所需要传输的帧间预测信息也不同。如果在帧内帧间组合预测中使用的帧间预测模式的运动信息是通过导出得到的，则只需要传输导出帧间信息相关的语法元素。如果在帧内帧间组合预测中使用的帧间预测模式的运动信息是通过运动估计得出的，则需要传输相应的运动信息。在帧内帧间组合预测中也可以定义全新的帧间预测模式，用于与帧内预测块相结合，只要将相应的帧间预测信息传输到解码端即可。
2)在解码端一个编码单元读取码流中的1-bit标记，根据标记进行解码；执行如下步骤：
21)首先，对一个编码单元(Coding unit，CU)进行帧内预测
22)根据从码流中读取的1-bit标记确定解码端是否使用帧内帧间组合预测方法；
23)若使用了帧内帧间组合预测方法，则执行以下操作：首先从码流中读取帧间预测信息，并对此编码单元(Coding unit，CU)进行帧间预测，之后对帧内预测和帧间预测进行加权平均，得到帧内帧间组合预测块。最后进行当前编码块(帧内帧间组合预测块)的重建。
24)如果不使用帧内帧间组合预测方法，则直接进行编码块重建。
本发明的核心是对帧内预测块和帧间预测块组合的过程，如式1所示：
P′comb(x，y)＝Wintra(x，y)·Pintra(x，y)+(1-Wintra(x，y))·Pinter(x，y) (式1)
0≤x，y＜N
其中，Pintra(x，y)和Pinter(x，y)分别为帧内和帧间预测块的像素值，Wintra(x，y)为帧内预测像素值的加权系数。P′comb(x，y)为进行加权之后的帧内帧间预测组合的像素值；x、y为预测块内的坐标，x＝0表示预测块中的第一列，y＝0表示预测块中的第一行。N为当前预测块尺寸。
本发明提出的帧内帧间组合预测方法中，采用的权重系数根据帧内和帧间预测失真的大小设计，权重系数反比于预测块失真，而预测块的失真通过统计得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种用于将帧内预测和帧间预测相结合的预测方法，能够减小预测块总体失真，增加预测精度，从而提升预测块的编码效率。具体地，本发明的技术优势体现为以下几方面：
本发明通过RDO决策决定是否使用帧内帧间组合预测。由于并不是每一个预测块都适合进行帧内帧间组合，所以通过RDO决策增加了此技术的实用性和鲁棒性。
并且，本发明提出使用与预测块失真成反比的加权系数，不仅可以充分利用帧内预测和帧间预测的优势，选择这两种方法预测最优的部分组合在一起，而且可以一定程度上去除帧内预测块和帧间预测块失真过大的区域，获得更好的预测效果。
附图说明
图1为本发明中的编码单元(CU)的编码流程框图。
图2为本发明中的编码单元(CU)的解码流程框图。
图3为HEVC中帧内预测模式示意图。
图4为本发明具体实施例中16×16的帧内帧间组合预测块中以行或列为单位的加权系数示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种有效的帧内帧间组合预测方法，通过RDO决策自适应的选择是否使用该方法；提出的组合预测方法，通过对帧内预测块和帧间预测块加权平均得到新的预测块；采用的权重系数根据统计的帧内和帧间预测失真设计，权重系数反比于统计得到的预测块失真；本发明能够解决预测块失真问题，并能够增加预测精度，提升预测块的编码效率。
图1为本发明编码端的编码流程图。对于一个编码单元来说，首先进行帧内预测和帧间预测。随后对帧内预测块和帧间预测块加权平均，得到帧内帧间组合预测块。之后使用率失真优化(RDO：Rate-distortion optimization)选择是否使用帧内帧间组合预测，并输出1-bit的标记到码流中。若使用了帧内帧间组合预测方法，则将所用到的帧间预测信息编码到码流中。
图2为本发明解码端的解码流程框图。对一个编码单元，首先读取1-bit的标记。随后进行帧内预测。根据读取的标记的值决定是否进行帧内帧间组合预测方法。如果不使用帧内帧间组合预测，则直接进行编码块的重建即可。否则，从码流中读取帧间预测信息，并对此编码单元(Coding unit,CU)进行帧间预测，之后对帧内预测和帧间预测进行加权平均，得到帧内帧间组合预测块。最后进行当前编码块的重建。
本发明提出的帧内帧间组合预测方法中的权重系数根据帧内和帧间预测失真设计，预测块的失真通过统计得到，权重系数与所统计的预测块失真成反比。权重系数的设计过程如下：
首先，我们统计每一种帧内预测模式的预测失真分布，表示为Dintra(x，y)，之后统计帧间预测块的预测失真为Dinter(x，y)，则在帧内帧间组合预测中，帧内预测块和帧间预测块的加权系数可以分别表示为式2和式3，二者之和为1。
其中，Wintra(x，y)和Winter(x，y)分别为帧内预测块和帧间预测块的加权系数，x和y为预测块内像素点的坐标。
通过对编码结果的统计，可以对每一个预测块尺寸、每一个帧内预测模式都产生一组加权系数。另外，考虑到P帧和B帧中预测块失真可能存在不同，所以需要对P帧和B帧中的加权系数分开设计。
为了节约存储加权系数的空间，可对加权系数进行简化。例如，本发明中可将帧内预测块按照帧内预测模式分成4组。以HEVC帧内预测模式为例，如图3所示。其中第一组包括模式0和1，第二组包括模式2～13，第三组包括模式14～22，第四组为模式23～34。对每个分组统计一组加权系数。
另外，为了进一步节约存储加权系数的空间，可以使用以行或列为单位的加权系数，即预测块中的一行或是一列像素点使用同一个加权系数。例如在HEVC中我们可以对以上四组帧内预测模式分别设计以行或是列为单位的加权系数。图4给出了对B帧中16x16的帧内预测块设计的以行或是列为单位的加权系数。图4中(a)、(b)、(c)分别为第二组、第三组、第四组帧内预测块的加权系数。而第一组中的帧内预测块直接使用1/2作为加权系数进行预测块的组合。
为了避免进行浮点计算，可将本发明中所提出的浮点加权系数转换为整数，并在加权之后进行右移操作。具体来说，可将权重系数乘以2的m次幂，加权计算之后再将预测值右移m位。式1转化为整数计算后的表达式如式4所示。m的取值与所需的计算精度相关，所需的精度越高则m值越大，计算结果越准确。
P′comb(x，y)＝(2m·Wintra(x，y)·Pintra(x，y)+(2m-2m·Wintra(x，y))·Pinter(x，y)+2m-1)＞＞m (式4)
在帧内帧间组合预测中，帧间预测信息用于产生帧间预测块。所使用的帧间预测模式不同，所需要传输的帧间预测信息也不同。如果在帧内帧间组合预测中使用的帧间预测模式的运动信息是通过导出得到的，例如HEVC中的skip模式、merge模式，则只需要传输导出帧间信息相关的语法元素。具体地说，如果在帧内帧间组合预测中使用了skip模式，则需要传输skip模式的信息，即skip模式运动信息候选的索引号；而如果使用merge模式，则需要传输merge模式运动信息候选的索引号以及残差信息。如果在帧内帧间组合预测中使用的帧间预测模式的运动信息是通过运动估计得出的，则需要传输相应的运动信息。在帧内帧间组合预测中也可以定义全新的帧间预测模式，用于与帧内预测块相结合，只要将相应的帧间预测信息传输到解码端即可。例如可以固定使用skip模式的第一个运动信息候选，由于使用了固定的帧间预测模式，所以无需传输任何帧间预测信息到解码端。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于帧内帧间组合预测的编码方法，通过率失真优化(RDO)决策自适应地选择是否使用所述帧内帧间组合预测；帧内帧间组合预测使用帧内预测块和帧间预测块加权的方法得到最终预测块；帧内预测块和帧间预测块的加权系数根据预测方法的预测失真统计得到；由此能够增加预测精度，提升预测块的编码效率；
针对P帧或B帧的帧内帧间组合预测，首先在编码端对每一个编码单元进行率失真优化，执行如下操作：
11)对一个编码单元进行帧内预测；
12)之后，对该编码单元进行帧间预测；
13)对帧内预测和帧间预测进行加权平均，得到帧内帧间组合预测块；
14)通过率失真优化(RDO)决策确定是否使用帧内帧间组合预测方法；每一个编码单元中均传输一个组合预测标记到码流中，用于标识是否使用了帧内帧间组合预测方法；
15)所述帧内帧间组合预测方法表示为式1：
P′comb(x,y)＝Wintra(x,y)·Pintra(x,y)+(1-Wintra(x,y))·Pinter(x,y) (式1)
0≤x,y<N
其中，Pintra(x,y)和Pinter(x,y)分别为帧内和帧间预测块的像素值，Wintra(x,y)为帧内预测像素值的加权系数；P′comb(x,y)为进行加权之后的帧内帧间预测组合的像素值；x、y为预测块内的坐标，x＝0表示预测块中的第一列，y＝0表示预测块中的第一行；N为当前预测块尺寸；
若使用了帧内帧间组合预测方法，则将帧间预测信息写入码流中，完成帧内帧间组合预测的编码过程。
2.如权利要求1所述用于帧内帧间组合预测的编码方法，其特征是，所述组合预测标记为1-bit的标记。
3.如权利要求1所述用于帧内帧间组合预测的编码方法，其特征是，根据帧内和帧间预测失真大小采用不同的加权系数，加权系数与预测块的失真成反比；预测块的失真通过统计得到，具体统计方法是：
对每一种帧内预测模式的预测失真分布进行统计，表示为Dintra(x,y)；
对帧间预测块的预测失真进行统计，表示为Dinter(x,y)；
在帧内帧间组合预测中，帧内预测块和帧间预测块的加权系数之和为1，分别表示为式2和式3：
其中，Wintra(x,y)和Winter(x,y)分别为帧内预测块和帧间预测块的加权系数，x和y为预测块内像素点的坐标；
对每一个预测块尺寸、每一个帧内预测模式均分别产生一组加权系数；并对P帧和B帧分别产生不同的加权系数。
4.如权利要求3所述用于帧内帧间组合预测的编码方法，其特征是，对加权系数进行简化或使用以行或列为单位的加权系数，以节约存储加权系数的空间。
5.如权利要求3所述用于帧内帧间组合预测的编码方法，其特征是，将浮点加权系数转换为整数，并在加权之后进行右移操作，以避免进行浮点计算；
具体地，将加权系数乘以2的m次幂，加权计算之后再将预测值右移m位；将式1转化为整数计算后表示为式4：
P′comb(x,y)＝(2m·Wintra(x,y)·Pintra(x,y)+(2m-2m·Wintra(x,y))·Pinter(x,y)+2m-1)>>m
(式4)
其中，m的取值与计算精度相关，所需的精度越高则m值越大，计算结果越准确。
6.一种用于帧内帧间组合预测的解码方法，通过率失真优化(RDO)决策自适应地选择是否使用所述帧内帧间组合预测；帧内帧间组合预测使用帧内预测块和帧间预测块加权的方法得到最终预测块；帧内预测块和帧间预测块的加权系数根据预测方法的预测失真统计得到；由此能够增加预测精度，提升预测块的解码效率；
针对P帧或B帧的帧内帧间组合预测，在解码端对每一个编码单元读取码流中的组合预测标记，根据标记进行解码；执行如下步骤：
21)对编码单元进行帧内预测；
22)根据从码流中读取的组合预测标记，确定解码端是否使用帧内帧间组合预测方法；
23)若使用了帧内帧间组合预测方法，则执行以下操作：首先从码流中读取帧间预测信息，并对此编码单元进行帧间预测，之后对帧内预测和帧间预测进行加权平均，得到帧内帧间组合预测块；最后进行当前编码块的重建；
所述帧内帧间组合预测块具体通过式1进行预测得到：
P′comb(x,y)＝Wintra(x,y)·Pintra(x,y)+(1-Wintra(x,y))·Pinter(x,y) (式1)
0≤x,y<N
其中，Pintra(x,y)和Pinter(x,y)分别为帧内和帧间预测块的像素值，Wintra(x,y)为帧内预测像素值的加权系数；P′comb(x,y)为进行加权之后的帧内帧间预测组合的像素值；x、y为预测块内的坐标，x＝0表示预测块中的第一列，y＝0表示预测块中的第一行；N为当前预测块尺寸；
24)如果不使用帧内帧间组合预测方法，则直接进行编码块重建。
7.如权利要求6所述用于帧内帧间组合预测的解码方法，其特征是，组合预测标记为1-bit的标记。
8.如权利要求6所述用于帧内帧间组合预测的解码方法，其特征是，根据帧内和帧间预测失真大小采用不同的加权系数，加权系数与预测块的失真成反比；预测块的失真通过统计得到，具体统计方法是：
对每一种帧内预测模式的预测失真分布进行统计，表示为Dintra(x,y)；
对帧间预测块的预测失真进行统计，表示为Dinter(x,y)；
在帧内帧间组合预测中，帧内预测块和帧间预测块的加权系数之和为1，分别表示为式2和式3：
其中，Wintra(x,y)和Winter(x,y)分别为帧内预测块和帧间预测块的加权系数，x和y为预测块内像素点的坐标；
对每一个预测块尺寸、每一个帧内预测模式均分别产生一组加权系数；并对P帧和B帧分别产生不同的加权系数。
9.如权利要求8所述用于帧内帧间组合预测的解码方法，其特征是，对加权系数进行简化或使用以行或列为单位的加权系数，以节约存储加权系数的空间。
10.如权利要求8所述用于帧内帧间组合预测的解码方法，其特征是，将浮点加权系数转换为整数，并在加权之后进行右移操作，以避免进行浮点计算；
具体地，将加权系数乘以2的m次幂，加权计算之后再将预测值右移m位；将式5转化为整数计算后表示为式4：
P′comb(x,y)＝(2m·Wintra(x,y)·Pintra(x,y)+(2m-2m·Wintra(x,y))·Pinter(x,y)+2m-1)＞＞m
(式4)
其中，m的取值与计算精度相关，所需的精度越高则m值越大，计算结果越准确。
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