CN113992915B - 一种可适用于vvc帧内预测的编码单元划分方法与*** - Google Patents

一种可适用于vvc帧内预测的编码单元划分方法与*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，涉及图像处理技术领域，主要包括步骤：获取当前编码单元亮度样本分别在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；基于离散度信息进行划分方向的初步判断；根据当前编码单元的帧内角度预测模式所述方向对初步判断进行再判断；根据最终判断结果对当前编码单元进行划分，并在无划分结果后输出当前深度下编码单元为最佳划分结果。本发明相较于当前多类型四叉树对于率失真代价函数大量计算需求，减少了计算量，在保证压缩性能的前提下实现了编码效率的提高。

Description

一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法与***
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法与***。
背景技术
随着人们对更高分辨率、更高质量和更加多样性视频内容的需求提高，对超高效视频编码（High-Efficiency Video Coding，简称HEVC）能力的下一代视频编码标准的需求便产生。为此，MPEG和VCEG联合成立了联合视频小组（JVET），并开始研发下一代视频编码标准——通用视频编码（Versatile Video Coding，简称VVC）标准。VVC的压缩能力远超HEVC，而且具有高度的通用性，它可以应用于包括高动态范围（High Dynamic Range，简称HDR）、屏幕内容编码（Screen Content Coding，简称SCC）和360°全角度视频等不同场景。
VVC编码标准中设计并采用了许多新颖的编码技术，大大提高了视频编码的效率。这些技术包括嵌套多类型树的四叉树高效块划分结构，它为编码单元（Coding Unit，简称CU）的分割形状提供了更大的灵活性，并取消了在HEVC 中CU的预测单元（PredictionUnit，简称PU）和变换单元（Transform Unit，简称TU）概念的分离。与HEVC提供33个方向的帧内角度预测模式不同，VVC提供了65个方向的帧内角度预测模式（Intra PredictionModes，简称IPMs）。
为了降低VVC嵌套多类型四叉树（Quadtree with nested Multi-Type，简称QTMT）结构的复杂度，本发明通过研究当前CU的内部预测模式和样本之间的相关性来确定二元分割和三元分割的划分方向，从而避免二元和三元分割的非必要计算，在压缩性能接近的情况下降低编码时间。
发明内容
为了更好降低现有嵌套多类型四叉树结构的复杂度，在保证压缩性能的情况下降低整体编码时间，本发明从编码单元划分的判断逻辑入手，提出了一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，包括步骤：
S1：获取当前编码单元亮度样本分别在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；
S2：根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
S3：判断第一离散度与第二离散度的大小，若第一离散度大于第二离散度，进入S4步骤，若第一离散度小于第二离散度，进入S5步骤；
S4：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于水平方向，若是，判定为水平划分并进入S6步骤，否则，进入S7步骤；
S5：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于垂直方向，若是，判定为垂直划分并进入S6步骤，否则，进入步骤S7；
S6：根据方向划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1；
S7：判定当前深度下的编码单元为最佳划分结果。
进一步地，所述S1步骤中，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域。
进一步地，所述S1步骤中，第一离散度为当前编码单元上下子区域亮度样本的方差值之和，第二离散度为当前编码单元左右子区域亮度样本的方差值之和。
进一步地，所述S2步骤中，水平方向的预设角度范围以当前编码单元的水平帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分，垂直反方的预设角度范围以当前编码单元的垂直帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分。
进一步地，所述S7步骤之前，还包括步骤，
S70：根据当前编码单元的率失真函数判定是否进行四叉树划分，若是，对当前编码单元进行四叉树划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1，若否，进入步骤S7。
进一步地，所述S3步骤中，在对离散度大小的判定结束并进入S4步骤或S5步骤前，还包括步骤：
S31：判断离散度间的差值是否大于预设阈值，若是，根据S3步骤的判定结果进入相应步骤，若否，进入S70步骤。
本发明还提出了一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***，包括：
数据计算模块，用于根据当前编码单元的亮度样本分别计算其在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；
基准设定模块，用于根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
初判断模块，用于根据第一离散度与第二离散度的大小关系，在第一离散度大于第二离散度时进入垂直跳过模块，在第一离散度小于第二离散度时进入水平跳过模块；
垂直跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于水平方向时判定为水平划分；
水平跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于垂直方向时判定为垂直划分；
单元划分模块，用于根据划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，并在无划分结果时输出当前深度下的编码单元为最佳划分结果。
进一步地，所述数据计算模块中，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域。
进一步地，还包括四叉树判定模块，用于在垂直跳过模块和水平跳过模块无划分结果输出时，根据当前编码单元的率失真函数进行四叉树划分的判定。
进一步地，所述初判断模块中还包括阈值判定单元，用于离散度间的差值小于预设阈值时，绕过垂直跳过模块和水平跳过单元，直接进入四叉树判定模块。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法与***，其利用不同方向下离散度的比对，从而利用各分区的亮度信息进行划分的初步判断，而后结合当前编码单元的帧内角度预测模式做出最终的划分判断，也即是通过时域、空域信息的结合进行编码单元划分方向的判定；
（2）相较于当前多类型四叉树需要通过对各方向（水平方向和垂直方向）下，二元划分和三元划分中各划分单元进行率失真代价函数的计算，以实现编码单元的划分判断，大大减少了编码过程中所需要的计算量，从而在保证压缩性能的前提下实现编码效率的提高。
附图说明
图1为一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法的方法步骤图；
图2为一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***的***结构图；
图3为MTT结构的四种单元划分示意图；
图4为MTT结构下CTU划分实例示意图；
图5为VVC的帧内角度预测模式示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
由于各帧内编码单元的划分对于视频压缩起着至关重要的作用，所以针对VVC编码标准已经研究出了一系列的分割结构方案。在QTMT分割结构中，当前的CTU首先按照四叉树（Quadtree，简称QT）分割结构被划分为四个大小相等的方形CUs，每个CU可以使用QT在方形CUs中递归分割，也可以使用多类型树(Multi-Type Tree，简称MTT）结构在矩形CUs中递归分割。如图3所示，MTT结构通过四种树对编码单元进行划分：水平二叉树划分（SPLIT_BT_HOR），垂直二叉树划分（SPLIT_BT_VER），水平三叉树划分（SPLIT_TT_HOR），垂直三叉树划分（SPLIT_TT_VER）。如图4所示，就是一个CTU的划分实例，图中，粗实线是四叉树划分边界，细实线是多类型树边界。
采用嵌套多类型树的四叉树划分编码结构虽然已经提高了编码的效率，但是由于其对于编码单元的划分依据是依靠率失真代价函数进行判断的，因此其计算量很大，难以满足实时性要求高的应用。因此，为了解决上述问题，如图1所示，本发明提出了一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，包括步骤：
S1：获取当前编码单元亮度样本分别在上下分区的第一方差和左右分区的第二方差；
S2：根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
S3：判断第一离散度与第二离散度的大小，若第一离散度大于第二离散度，进入S4步骤，若第一离散度小于第二离散度，进入S5步骤；
S4：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于水平方向，若是，判定为水平划分并进入S6步骤，否则，进入S7步骤；
S5：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于垂直方向，若是，判定为垂直划分并进入S6步骤，否则，进入步骤S7；
S6：根据方向划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1；
S7：判定当前深度下的编码单元为最佳划分结果。
在这里，本发明之所以选用不同方向上的亮度样本作为垂直划分/水平划分的判断数据，是因为对于编码单元的划分，其目的在于筛选出不同目标分类像素点中的同一类型像素集以实现分类标签的划定。由于同一类的像素点往往具有相近的采样信息，因此当相邻像素点之间的采样信息相近时，就可以初步判断它们为同一类型的像素集。基于此，本发明提出通过对不同分区（由于是为了判断编码单元的划分方向：垂直、水平，因此此处的分区指编码单元的上下分区和左右分区）间采样信息的离散度进行判断，即可实现划分方向的初步判断。同时，由于人眼对于亮度的敏感度高于色度，为了减少数据量，各视频采样格式一般对于灰度（也就是亮度）的采样是不会减少的，仅仅会适当减少对色度的采样，因此本发明选用采样信息中的亮度信息（也即是编码单元中的亮度样本）作为判断数据，使判断结果不会因为漏采样导致的判断失准。
考虑到编码单元如果进行二元划分（二等分）或者三元划分（三等分），那么首端等分区与末端等分区之间必然存在较大的数据离散。因此，为了保证分区间判断的有效性，并贴合实际划分结果，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域。同时，第一方差为当前编码单元上下子区域亮度样本的方差值之和，第二方差为左右子区域亮度样本的方差值之和。
仅仅通过对编码单元不同方向上的采样信息离散度的判断（空域上的目标分类）还不能完全实现划分方向的判定，因为不同的帧内运动角度（时域上的目标分类）也会影响到对像素点的分类划分，因此，还需要关联当前编码单元的帧内角度预测模式，以提高当前编码单元的划分性能。
由于VVC的帧内角度预测模式（IPMs）数从HEVC的33种增加到65种，如图5所示。要使编码单元通过空域相关性得到的水平划分判断结果，不受时域上运动方向判断的影响，因此，帧内角度预测模式需要在一定范围内。其中，水平方向的预设角度范围（定义为IPMhor）以当前编码单元的水平帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分，垂直反方的预设角度范围（定义为IPMver）以当前编码单元的垂直帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分。在本实施例中，选取10到28的IPM（水平模式±8）作为水平方向的预设角度范围，选取42到58（垂直模式±8）的IPM作为垂直方向的预设角度范围。
在通过对时域、空域上的信息进行关联后，如果还是无法进行划分方向的判断的话，此时就是需要考虑其是否为四叉树划分，因此，在S7步骤之前，还包括步骤，
S70：根据当前编码单元的率失真函数判定是否进行四叉树划分，若是，对当前编码单元进行四叉树划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1，若否，进入步骤S7。
进一步地，考虑到并不是简单的第一离散度（σhor）大于第二离散度（σver），或者第二离散度大于第一离散度就能够判定编码单元空域上的划分判断，两个离散度之间还需满足一定的差值，才能满足足够的差异性，在本实施例中，该差值设定为10。因此，S3步骤中，在对离散度大小的判定结束并进入S4步骤或S5步骤前，还包括步骤：
S31：判断离散度间的差值是否大于预设阈值，若是，根据S3步骤的判定结果进入相应步骤，若否，进入S70步骤。
同时，若是出现第一离散度等于第二离散度的情况时，也是直接进入S70步骤中进行四叉树划分的判定。
对本实施例的内容进行总结：本发明通过所提出的一种编码单元快速划分（CUFD）方法，根据基于亮度样本的离散度比较和当前编码单元的最佳帧内角度预测模式（IPM）来识别当前编码单元的纹理方向，从而通过跳过垂直方向上二元和三元划分计算（定义为CUFDhor），或者跳过水平方向上二元和三元划分计算（定义为CUFDver），来减少因大量率失真代价计算导致的编码时间耗费。其中，对于各方向上计算的跳过以及划分方向的判断，通过公式可表示为，
Figure 800488DEST_PATH_IMAGE001
Figure 124153DEST_PATH_IMAGE002
综上所述，本发明所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法与***，其利用不同方向下亮度离散度的比对，从而利用各分区的亮度信息进行划分的初步判断，而后结合当前编码单元的帧内角度预测模式做出最终的划分判断，也即是通过时域、空域信息的结合进行编码单元划分方向的判定。
相较于当前多类型四叉树需要通过对各方向（水平方向和垂直方向）下，二元划分和三元划分中各划分单元进行率失真代价函数的计算，以实现编码单元的划分判断，大大减少了编码过程中所需要的计算量，从而在保证压缩性能的前提下实现编码效率的提高。
实施例二
为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过***结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***，包括：
数据计算模块，用于根据当前编码单元的亮度样本分别计算其在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；
基准设定模块，用于根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
初判断模块，用于根据第一离散度与第二离散度的大小关系，在第一离散度大于第二离散度时进入垂直跳过模块，在第一离散度小于第二离散度时进入水平跳过模块；
垂直跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于水平方向时判定为水平划分；
水平跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于垂直方向时判定为垂直划分；
单元划分模块，用于根据划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，并在无划分结果时输出当前深度下的编码单元为最佳划分结果。
进一步地，数据计算模块中，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域。
进一步地，还包括四叉树判定模块，用于在垂直跳过模块和水平跳过模块无划分结果输出时，根据当前编码单元的率失真函数进行四叉树划分的判定。
进一步地，初判断模块中还包括阈值判定单元，用于离散度间的差值小于预设阈值时，绕过垂直跳过模块和水平跳过单元，直接进入四叉树判定模块。
实施例三
为了验证本发明所提出编码单元划分方法的有效性，本实施例通过一具体实验例来对本发明进行验证，该实验例在VVC参考软件VTM-12.0中实现，使用所有全帧内（AllIntra，AI）配置，4个量化参数（quantization parameters，QP）值分别为：22，27，32，37。通过对比提出的算法和VVC参考软件的率失真（BDRate）来验证算法的性能，减少的编码计算复杂度实用平均节省编码时间（TS）来衡量。
Figure 641240DEST_PATH_IMAGE003
其中，i为1到4的整数，TVTM（QPi）和Tpro（QPi）分别为在不同量化参数QP取值下，参考软件的编码时间与本专利提出的算法编码时间。
从实验结果（如表1）中可以看出，在编码复杂度方面，该方法平均节省了29.19%的编码时间，在编码效率方面，该方法的编码效率降低了0.45%。因此，在低延迟配置下，本发明所提出的编码单元划分方法在几乎不影响编码质量的前提下，能显著地降低编码的复杂度。
表1：实验结果数据
Figure 505291DEST_PATH_IMAGE004
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，其特征在于，包括步骤：
S1：获取当前编码单元亮度样本分别在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；
S2：根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
S3：判断第一离散度与第二离散度的大小，若第一离散度大于第二离散度，进入S4步骤，若第一离散度小于第二离散度，进入S5步骤；
S4：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于水平方向，若是，判定为水平划分并进入S6步骤，否则，进入S7步骤；
S5：判断当前编码单元的帧内角度预测模式是否属于垂直方向，若是，判定为垂直划分并进入S6步骤，否则，进入步骤S7；
S6：根据方向划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1；
S7：判定当前深度下的编码单元为最佳划分结果；
所述S1步骤中，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域；
所述S1步骤中，第一离散度为当前编码单元上下子区域亮度样本的方差值之和，第二离散度为当前编码单元左右子区域亮度样本的方差值之和。
2.如权利要求1所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，其特征在于，所述S2步骤中，水平方向的预设角度范围以当前编码单元的水平帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分，垂直方向的预设角度范围以当前编码单元的垂直帧内角度预测模式所对应角度作为基准线进行划分。
3.如权利要求1所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，其特征在于，所述S7步骤之前，还包括步骤，
S70：根据当前编码单元的率失真函数判定是否进行四叉树划分，若是，对当前编码单元进行四叉树划分，进入下一深度各编码单元的划分并返回步骤S1，若否，进入步骤S7。
4.如权利要求3所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分方法，其特征在于，所述S3步骤中，在对离散度大小的判定结束并进入S4步骤或S5步骤前，还包括步骤：
S31：判断离散度间的差值是否大于预设阈值，若是，根据S3步骤的判定结果进入相应步骤，若否，进入S70步骤。
5.一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***，其特征在于，包括：
数据计算模块，用于根据当前编码单元的亮度样本分别计算其在上下分区的第一离散度和左右分区的第二离散度；
基准设定模块，用于根据各帧内角度预测模式所对应的角度，提取预设角度范围内的帧内角度预测模式并分别定义为水平方向和垂直方向；
初判断模块，用于根据第一离散度与第二离散度的大小关系，在第一离散度大于第二离散度时进入垂直跳过模块，在第一离散度小于第二离散度时进入水平跳过模块；
垂直跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于水平方向时判定为水平划分；
水平跳过模块，用于当前编码单元的帧内角度预测模式属于垂直方向时判定为垂直划分；
单元划分模块，用于根据划分结果对当前编码单元进行编码单元划分，并在无划分结果时输出当前深度下的编码单元为最佳划分结果；
所述数据计算模块中，上下分区为根据当前编码单元水平划分的两个相同大小的子区域，左右分区为根据当前编码单元垂直划分的两个相同大小的子区域；
所述第一离散度为当前编码单元上下子区域亮度样本的方差值之和，第二离散度为当前编码单元左右子区域亮度样本的方差值之和。
6.如权利要求5所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***，其特征在于，还包括四叉树判定模块，用于在垂直跳过模块和水平跳过模块无划分结果输出时，根据当前编码单元的率失真函数进行四叉树划分的判定。
7.如权利要求6所述的一种可适用于VVC帧内预测的编码单元划分***，其特征在于，所述初判断模块中还包括阈值判定单元，用于离散度间的差值小于预设阈值时，绕过垂直跳过模块和水平跳过单元，直接进入四叉树判定模块。
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