CN113992911A - 全景视频h264编码的帧内预测模式确定方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法和设备，属于图像处理领域，所述方法包括：对离线全景图像进行标绘，识别指定观察区域作为标定区域，并保存标定区域多边形点集；根据多边形点集判断待编码宏块是否在标定区域内；对于标定区域内的待编码宏块，使用intra16×16模式；对于非标定区域内的待编码宏块，计算图像平滑度，根据平滑度确定使用intra16×16模式还是intra4×4模式；对于确定使用intra4×4模式的宏块，利用Kirsch算子计算边缘方向，根据边缘方向确定编码备选模式；最后在备选模式下选择最优编码模式。实验结果表明，基于全景改进的帧内预测模式快速确定方法在保证重点关注区视频编码质量情况下，可以大幅降低编码时间。

Description

全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法和设备
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法和设备。
背景技术
随着视频编解码与流媒体技术的发展，视频图像分辨率、视频实时性等性能指标对图像处理算法提出了更高的要求，机场全景视频编码是这类应用中很典型的一个例子。
H.264编码标准提出了帧内预测的方法，即利用已解码重构的邻近块来实现当前块的预测，对预测块与实际块间的残差做相应的后续处理。根据“Thomas Wiegand,HeikoSchwarz,Anthony Joch,Faouzi Kossentini,and Gary J.Sullivan Rate-ConstrainedCoder Contral and Comparison of Video Coding Standards.2005.”，H.264帧内编码有两种代价函数模型，分别为绝对误差和(Sum of Absolute Difference，SAD)代价模型和率失真优化(Rate-Distortion Optimization，RDO)模型，RDO模型相较于SAD模型对于模块选择更加准确。帧内模式选择的RDO模型基本原理是：在可选的宏块类型中，遍历每种可用编码模式，计算出每种模式下的编码比特数和相应的重建图像失真度，选择失真度最小的模式作为最佳模式。然而这种帧内预测技术要面对庞大的运算量，其编码时间距离视频的实时性要求尚存在一定差距，如何对其进行优化成为一个重要问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，能够对帧内预测模式进行快速选择，提高视频编码速度。
本发明还提供一种实现上述全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法的计算机设备和计算机可读存储介质。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，包括以下步骤：
对离线全景图像进行标绘，识别指定观察区域作为标定区域，并保存标定区域多边形点集；
对输入的待编码全景视频图像进行宏块划分，根据多边形点集判断待编码宏块是否在标定区域内；
对于标定区域内的待编码宏块，使用intra16×16模式，对应4种编码备选模式；
对于非标定区域内的待编码宏块，计算图像平滑度，根据平滑度确定使用intra16×16模式还是intra4×4模式；对于确定使用intra4×4模式的宏块，利用Kirsch算子计算边缘方向，根据边缘方向确定编码备选模式；
根据选定的备选模式，通过计算代价函数，选择代价最小的模式作为最终帧内预测模式。
根据第一方面的某些实施方式，所述指定观察区域在机场全景图像中为非运动区域。
根据第一方面的某些实施方式，对输入的待编码全景视频图像进行宏块划分，根据多边形点集判断待编码宏块是否在标定区域内包括：
将输入机场全景图像按16×16宏块进行划分，结合多边形点集，计算当前待编码宏块关于标定区域的属性值，当计算出的属性值大于等于指定阈值th1时，认为该宏块在标定区域内，否则不在标定区域内。
根据第一方面的某些实施方式，按照以下公式计算当前待编码宏块关于标定区域的属性值：
Figure BDA0003279765070000021
其中，Sumin表示当前宏块内像素在标定区域的数量，partion表示当前宏块为标定区域的占比。
根据第一方面的某些实施方式，对于非标定区域内的待编码宏块，当图像平滑度大于设定阈值th2时，使用intra4×4模式，否则使用intra16×16模式。
根据第一方面的某些实施方式，图像平滑度计算公式为：
Figure BDA0003279765070000022
其中，f(x,y)为宏块在(x,y)处的像素值，m为该宏块所有像素的均值。
根据第一方面的某些实施方式，利用Kirsch算子计算边缘方向，根据边缘方向确定编码备选模式包括：Kirsch算子中8个方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，分别对应1,8,7,6,5,4,3,2方向编号，和intra4×4模式中除DC预测模式外的8个模式相比，对应5,6,7,8方向没有对应的预测模式，因此根据1,2,3,4四个方向的模板计算图像中每个像素点的方向导数，再由4个方向的偏导数求倒数,最大的模板对应该像素的边缘方向，按照相应规则选择备选模式。
根据第一方面的某些实施方式，选择备选模式的规则如下：
如果Kirsch边缘的方向是方向1，则选择预测模式1、6、8为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向2，则选择预测模式4、5、6为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向3，则选择预测模式0、5、7为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向4，则选择预测模式3、7为备选模式。
根据第一方面的某些实施方式，对于intra4×4模式的宏块，根据得到的备选模式加上DC模式作为备选模式。
根据本发明的第二方面，提供一种计算机设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时实现如本发明第一方面所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法。
有益效果：本发明公开了一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，针对全景编码的H.264帧内预测模式可以进行快速选择，首先采用线下全景标绘方式标绘全景非重点关注区域，可以将标定区域内待编码宏块快速分离出使用intra16×16模式；对于非标定区域内的待编码宏块，利用图像平滑度来确定合适的帧内编码模式；针对帧内亮度intra4×4模式预测模式过多的问题，利用改进的Kirsch算子得到边缘方向，选出帧内预测备选模式；最后根据代价函数确定最终预测模式。本发明解决了超高分辨率全景视频在H.264编码帧内预测模式选择的问题，在保证全景核心区域编码质量的同时降低了编码时间，提高编码效率。在多个机场环境下进行了现场验证及性能测试，编码时间可减少38.92％，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是根据本发明实施例的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法流程示意图；
图2是根据本发明实施例的全景图像线下标绘非重点关注区域示意图；
图3是根据本发明实施例的Kirsch算子8个方向和intra4×4模式8个预测模式示意图；
图4是根据本发明实施例的全景图像宏块编码分块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
为解决超高分辨率全景视频编码过程中帧内预测模式选择过程中算法复杂度较高的问题，本发明提出一种针对全景视频图像编码的帧内预测模式快速选择的方法。该方法的总体思路是：通过图像先验信息，剥离出非重点关注区域，快速分离intra4×4和intra16×16模式。同时，利用Kirsch算法，在intra4×4模式下缩减备选模式。在实施例中，以机场全景视频图像进行方法的描述。如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，对离线全景图像进行标绘。
机场全景图具有图像分辨率高、视场角大的重要特征，并且重点观测区域为跑道、机坪等运动区域。因此从缩小预测模式选择范围入手，丢失部分非重点观测区图像细节，带来算法实时性的提升是完全可以接受的。通过提前线下对拼接全景图像进行标绘，使用标绘软件在全景图上划定标绘区域多边形，记录多边形点集，实现对非重点观察区域的提取。这里将非重点观察区域作为标定区域，标定的信息称为先验信息，以供后续判断待编码宏块位置。图2为本实施例中全景图像线下标绘非重点关注区域示意图。
步骤2，判定待编码宏块的位置并初步选定预测模式。
H.264宏块尺寸为16×16，这也是基本处理单元，在帧内编码时对当前亮度宏块要同时进行intra 4×4和intra 16×16的预测。H.264亮度块帧内编码要遍历所有intra16×16和intra4×4模式，intra4×4模式有9种预测方向，预测比较准确，适用于变化较大细节较多的宏块，intra 16×16的模式只有4种预测方向更适合于平坦宏块。可以根据“T.Wiegand and B.Girod Lagrange multiplier selection in hybrid Video codercontrol,Processdings.2001International Conference on Image Processing,Vol.3Oct,2001,pp.542-545.”公开的技术，通过两种模式失真度选择最佳模式。H.264帧内编码选择模式可以和视频图像内容结合起来，针对图像纹理变化平坦的区域可以选择intra16×16模式，图像细节变化剧烈的区域选择intra4×4模式。由于机场全景重点关注区域为跑道机坪等运动区域，因此如果是在非运动区域则直接采用intra16×16模式。首先进行标定区域内intra16×16模式待编码块剥离。
输入待编码机场全景视频图像，进行宏块划分，根据标定全景图像得到的多边形点集，判断宏块内像素是否在标定区域各多边形内，计算出宏块占标定区域占比，大于指定阈值则认为在标定区域内。宏块占标定区域占比的计算公式如下；
Figure BDA0003279765070000051
其中，Sumin表示当前宏块内像素在标定区域的数量，partion为宏块为标定区域占比，partion大于阈值th1则认为是在标定区域内，认定为非重点关注区域，则当前宏块采用intra16×16模式，存在4种备选预测模式。
如果待编码宏块不在标定区域内，根据图像平滑度来选择合适的宏块帧内编码模式。定义图像平滑度Thr为：
Figure BDA0003279765070000052
其中，f(x,y)为宏块在(x,y)处的像素值，m为该宏块所有像素的均值，x,y是表示像素值位置的横纵坐标。Thr越大说明图像变化越剧烈，反之则图像越平坦。图像平滑度也称为平坦度。根据视频图像序列统计特性，设置阈值th2，该值越小，则图像越清晰。当Thr<th2时，采用intra 16×16模式，否则选择intra 4×4模式，这种模式下称为细节宏块。
步骤3，根据Kirsch算子得到宏块纹理方向，从而优选出帧内编码备选模式。
对于经步骤2选定的intra4×4帧内编码模式的宏块，Kirsch算子使用8个模板方向确定梯度幅值和方向，分别计算不同方向上差分值，其中最大值对应的方向的被视作边缘方向。Kirsch算子的详细介绍可参考“龚声蓉数字图像处理与分析北京：清华大学出版社：2006.”。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，根据八个方向的模板计算图像中每个像素点的方向导数，参照图3，这8个方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，分别对应1,8,7,6,5,4,3,2方向编号，与H.264帧内预测中除DC预测模式外的8个模式相比，Kirsch算子中5,6,7,8方向没有对应的预测模式，因此可以将Kirsch的8个方向缩减到4个方向，对应的偏导数计算方法如下：
(1)0°方向的偏导数计算方式如下式：
Figure BDA0003279765070000061
(2)315°方向的偏导数计算方式如下式：
Figure BDA0003279765070000062
(3)270°方向的偏导数计算方式如下式：
Figure BDA0003279765070000063
(4)225°方向的偏导数计算方式如下式：
Figure BDA0003279765070000064
Figure BDA0003279765070000071
在已求解G0(i,j)的基础上，可以通过下式迭代出剩余方向的偏导数值，减少运算量：
G315(i,j)＝G0(i,j)+8(f(i-1,j+1)-f(i+1,j))
G270(i,j)＝G315(i,j)+8(f(i+1,j-1)-f(i,j+1))
G225(i,j)＝G270(i,j)+8(f(i,j-1)-f(i+1,j+1))
其中(i,j)表示像素点x和y的坐标。
步骤3-2，由以上4个方向的偏导数求倒数,最大的模板对应的方向即认定为该像素的边缘方向，按照以下规则选择备选模式：
如果Kirsch边缘的方向是方向1，则选择预测模式1、6、8为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向2，则选择预测模式4、5、6为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向3，则选择预测模式0、5、7为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向4，则选择预测模式3、7为备选模式。
步骤4，根据备选模式，计算代价函数RD_cost，选代价最小的作为最佳编码模式。
如果是intra16×16模式，16×16的垂直、水平、DC、平面四种预测模式作为备选模式，计算出代价函数RD_cost，最小的作为最终模式。
如果是亮度4×4模式，根据得到的备选模式加上DC模式作为备选模式，并计算RD_cost，最小的作为最终模式。其中RD_cost计算选择失真度最小的模式作为最佳模式的公式为：
RD_cost＝SSD(s,c,MODE|QP)+λMODER(s,c,MODE|QP)
λMoDE为当前拉格朗日系数，MODE为当前宏块可选的一种编码模式，QP为宏块量化参数，s,c,分别表示原图像和相应模式下重建图像的像素值，R(s,c,MODE|QP)表示在特定QP和MODE下当前宏块的编码输出比特数，SSD(s,c,MODE|QP)表示图像失真度，公式为：
Figure BDA0003279765070000081
根据本实施例的全景图像宏块编码分块示意图如图4所示。
本发明实施例所描述的针对机场全景编码的H264帧内预测模式快速选择的方法，解决了机场超高分辨率全景H264编码帧内预测模式快速选择的问题。在多个机场环境下进行了现场验证及性能测试，编码时间可减少38.92％，具有广阔的应用前景。
基于与方法实施例相同的技术构思，根据本发明的另一实施例，提供一种计算机设备，所述设备包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序被一个或多个处理器执行时实现方法实施例中的各步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
对离线全景图像进行标绘，识别指定观察区域作为标定区域，并保存标定区域多边形点集；
对输入的待编码全景视频图像进行宏块划分，根据多边形点集判断待编码宏块是否在标定区域内；
对于标定区域内的待编码宏块，使用intra16×16模式，对应4种编码备选模式；
对于非标定区域内的待编码宏块，计算图像平滑度，根据平滑度确定使用intra16×16模式还是intra4×4模式；对于确定使用intra4×4模式的宏块，利用Kirsch算子计算边缘方向，根据边缘方向确定编码备选模式；
根据选定的备选模式，通过计算代价函数，选择代价最小的模式作为最终帧内预测模式。
2.根据权利要求1所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，所述指定观察区域在机场全景图像中为非运动区域。
3.根据权利要求1所述的全景视频编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，对输入的待编码全景视频图像进行宏块划分，根据多边形点集判断待编码宏块是否在标定区域内包括：
将输入机场全景图像按16×16宏块进行划分，结合多边形点集，计算当前待编码宏块关于标定区域的属性值，当计算出的属性值大于等于指定阈值th1时，认为该宏块在标定区域内，否则不在标定区域内。
4.根据权利要求3所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，按照以下公式计算当前待编码宏块关于标定区域的属性值：
Figure FDA0003279765060000011
其中，Sumin表示当前宏块内像素在标定区域的数量，partion表示当前宏块为标定区域的占比。
5.根据权利要求1所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，对于非标定区域内的待编码宏块，当图像平滑度大于设定阈值th2时，使用intra4×4模式，否则使用intra16×16模式。
6.根据权利要求5所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，图像平滑度计算公式为：
Figure FDA0003279765060000021
其中，f(x，y)为宏块在(x,y)处的像素值，m为该宏块所有像素的均值。
7.根据权利要求1所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，利用Kirsch算子计算边缘方向，根据边缘方向确定编码备选模式包括：Kirsch算子中8个方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，分别对应1,8,7,6,5,4,3,2方向编号，和intra4×4模式中除DC预测模式外的8个模式相比，对应5,6,7,8方向没有对应的预测模式，因此根据1,2,3,4四个方向的模板计算图像中每个像素点的方向导数，再由4个方向的偏导数求倒数,最大的模板对应该像素的边缘方向，按照相应规则选择备选模式。
8.根据权利要求7所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，选择备选模式的规则如下：
如果Kirsch边缘的方向是方向1，则选择预测模式1、6、8为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向2，则选择预测模式4、5、6为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向3，则选择预测模式0、5、7为备选模式；
如果Kirsch边缘的方向是方向4，则选择预测模式3、7为备选模式。
9.根据权利要求8所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法，其特征在于，对于intra4×4模式的宏块，根据相应规则得到的备选模式加上DC模式作为备选模式。
10.提供一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时实现如本发明第一方面所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的全景视频H264编码的帧内预测模式确定方法。
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