CN114885172A - 一种针对h.266/vvc帧内预测编码的快速编码单元划分方法 - Google Patents

一种针对h.266/vvc帧内预测编码的快速编码单元划分方法 Download PDF

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CN114885172A CN202210389982.2A CN202210389982A CN114885172A CN 114885172 A CN114885172 A CN 114885172A CN 202210389982 A CN202210389982 A CN 202210389982A CN 114885172 A CN114885172 A CN 114885172A
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Abstract

本发明提供的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，根据纹理描述符对当前编码CU的纹理复杂度进行判别，若为平坦区域，则终止当前CU的划分，将尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，得到尺寸为32×32的CU块，计算水平、垂直活动度，若水平、垂直活动度之差小于设定阈值，则采取VTM默认方式，若水平活动度大于垂直活动度，则计算四叉树划分、水平二叉树划分和水平三叉树划分的纹理活动度，若垂直活动度大于水平活动度，计算四叉树划分、垂直二叉树划分和垂直三叉树划分的纹理活动度，并对纹理活动度大小进行判别，选择对应划分方式，否则采取VTM默认方式；本发明方法能提前终止平坦的CU块划分，跳过大量的代价计算，简单有效地节省编码时间。

Description

一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法
技术领域
本发明涉及视频编码领域，特别是指一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法。
背景技术
近年来随着5G和智慧物联技术的快速发展，高清超高清视频(2K,4K,8K)逐渐融入到人们生活的方方面面，为人们提供了更佳的观感体验。然而，高清超高清视频具有庞大的数据量，上一代视频编码标准H.265/HEVC已然无法满足在有限带宽内传输庞大视频数据量的需求，急需研发编码性能更加优异的编码标准，于是运动图像专家组(MPEG)和视频编码专家组(VCEG)成立了JVET，制定了新一代视频编码标准H.266/VVC。与之前的编码标准一样，H.266/VVC仍然使用基于块的混合编码框架，并且采用了新的划分方法以及许多新的编码工具，提高了整体的编码性能，但是随之带来的巨大挑战是计算复杂度的成倍增加，严重阻碍其实际应用。
H.266/VVC的编码单元划分采取QTMT(Quad-Tree with nested Multi-typeTree)结构，包括四叉树划分(QT)，垂直二叉树划分(BV)，垂直三叉树划分(TV)，水平二叉树划分(BH)，水平三叉树划分(TH)。在H.266/VVC中，需要采用深度穷尽搜索最优CU划分的策略，找到代价最小的划分方式与划分深度作为CU的最终划分，具体来说：128×128的CTU首先进行四叉树划分成64×64的CU；逐一对四个64×64的CU进行编码，计算最优预测模式、RD代价等信息；然后对每一个64×64的CU块，采取四叉树划分；并继续对每一个32×32的CU块计算最优预测模式、RD代价等信息，然后依次采取5种划分方式(QT划分、BH划分、BV划分、TH划分、TV划分)，并且递归计算每一种划分方式下的最优预测模式、RD代价等信息。以此类推，一直到CU块不能划分。最后依据当前分割层编码与其子分割层编码的率失真代价比较以及当前划分方式与其他划分方式的率失真代价比较，选取代价最小的方式进行。
相比H.265/HEVC的四叉树划分方式，H.266/VVC的QTMT结构使得压缩性能有了很大的提升，但是计算复杂度也极大的增加了。因此，如何在保持H.266/VVC编码性能前提下，有效降低编码复杂度，成为H.266/VVC迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，根据编码单元的内容特性选择最佳的划分方式，实现在保证编码效率几乎不变的情况下有效降低了编码器计算复杂度。
本发明采用如下技术方案：
一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，包括如下步骤：
1)根据纹理描述符对当前编码CU的纹理复杂度进行判别，若为平坦区域，则终止当前CU的划分，否则进入步骤2)；
2)将尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，得到尺寸为32×32的CU块，对尺寸为32×32的CU块计算水平、垂直活动度，若水平、垂直活动度之差小于设定阈值，则采取VTM默认方式，否则进入步骤3)；
3)若水平活动度大于垂直活动度，则计算四叉树划分、水平二叉树划分和水平三叉树划分的纹理活动度，若垂直活动度大于水平活动度，则计算四叉树划分、垂直二叉树划分和垂直三叉树划分的纹理活动度，并对纹理活动度大小进行判别，若存在最大值，则选择最大纹理活动度的划分方式为当前CU的划分方式，否则采取VTM默认方式。
具体地，步骤1)中，对当前编码CU计算首选方向θ和相互作用I(x|xi)，获取纹理描述符P；将平坦的纹理描述符比例PS与预设的第一阈值TH1进行比较，判断当前编码CU块是否为平坦区域。
具体地，步骤1)中，所述的首选方向θ按下式计算：
Figure BDA0003596429370000021
Gh＝F*fh Gv＝F*fv
Figure BDA0003596429370000022
其中：F为输入的CU块矩阵，Gv(x)和Gh(x)分别表示垂直方向和水平方向的梯度，fv和fh分别表示垂直方向和水平方向的Prewitt算子。
具体地，在步骤1)中，所述的相互作用I(x|xi)按下式计算：
Figure BDA0003596429370000023
其中：θ(x)为中心像素的首选方向，θ(xi)为相邻像素的首选方向，‘1’表示兴奋性的相互作用，‘0’表示抑制性的相互作用，T为判断阈值。
具体地，所述的纹理描述符P按下式计算：
P＝Α(I(x|x1),I(x|x2),…,I(x|xn))
其中A(·)表示的是响应的排列，即中心像素与其相邻像素之间的模式。
具体地，将平坦的纹理描述符比例PS与预设的第一阈值TH1进行比较，判断当前编码CU块是否为平坦区域，具体为：
若平坦的纹理描述符比例PS满足PS＞TH1，则认为当前编码CU块为平坦区域。
具体的，所述计算水平、垂直活动度，具体为：
对当前编码CU计算水平梯度Dh和垂直梯度Dv；
根据水平梯度Dh和垂直梯度Dv计算得到水平活动度Acth和垂直活动度Actv。
具体地，所述水平梯度Dh和垂直梯度Dv，计算公式为：
Dh＝M*ρh Dv＝M*ρv
Figure BDA0003596429370000031
其中，M为输入的CU块矩阵，ρv和ρh是优化后的Prewitt算子。
具体地，所述水平活动度Acth和垂直活动度Actv，计算公式为：
Figure BDA0003596429370000032
Figure BDA0003596429370000033
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure BDA0003596429370000034
为(x，y)点处的垂直梯度，
Figure BDA0003596429370000035
为(x，y)点处的水平梯度，
Figure BDA0003596429370000036
为水平梯度的平均值，
Figure BDA0003596429370000037
为垂直梯度的平均值；
若|Acth-Actv|＞TH2，TH2为设定的第二阈值，则进行纹理活动度计算，反之采取VTM默认方式。
具体地，在步骤3)中，所述纹理活动度计算公式为：
Figure BDA0003596429370000041
Figure BDA0003596429370000042
Figure BDA0003596429370000043
Figure BDA0003596429370000044
Figure BDA0003596429370000045
Figure BDA0003596429370000046
Figure BDA0003596429370000047
Figure BDA0003596429370000048
Figure BDA0003596429370000049
Figure BDA00035964293700000410
Figure BDA00035964293700000411
Figure BDA00035964293700000412
Figure BDA00035964293700000413
Figure BDA0003596429370000051
Figure BDA0003596429370000052
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure BDA0003596429370000053
为梯度的平均值，
Figure BDA0003596429370000054
为(x，y)点处的垂直梯度，
Figure BDA0003596429370000055
为(x，y)点处的水平梯度，
Figure BDA0003596429370000056
为水平梯度的平均值，
Figure BDA0003596429370000057
为垂直梯度的平均值，ACTQT为四叉树划分纹理活动度，ACTTV为垂直三叉树划分纹理活动度，ACTTH为水平三叉树划分纹理活动度，ACTBV为垂直二叉树划分纹理活动度，ACTBH为水平二叉树划分纹理活动度。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，利用纹理描述符进行阈值判断是否为平滑区域，若是，则尺寸为64×64的CU块和尺寸为32×32的CU提前终止划分，反之尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，尺寸为32×32的CU进行采取进一步的划分。采用这种方法能提前终止平坦的CU块划分，跳过大量的代价计算，简单有效地节省编码时间。
2、本发明方法中，利用水平垂直活动度以及纹理活动度对当前编码CU的划分方式进行选择时，充分利用活动度与划分方式的对应关系，选择可能性最高的划分方式，跳过不必要的代价计算，有效地降低计算复杂度。
附图说明
图1为本发明提出的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法流程图。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。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申请中的具体含义。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
参照图1，本发明的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，对编码单元帧内预测进行优化改进，具体实施步骤如下：
1)根据纹理描述符对当前编码CU的纹理复杂度进行判别，若为平坦区域，则终止当前CU的划分，否则进入步骤2)；
具体的，对当前编码CU计算首选方向θ和相互作用I(x|xi)，从而获取纹理描述符P；将平坦的纹理描述符比例PS预设的第一阈值TH1进行比较，判断当前编码CU块是否为平坦区域。
其中，所述的首选方向θ按下式计算：
Figure BDA0003596429370000061
Gh＝F*fh Gv＝F*fv
Figure BDA0003596429370000062
其中F为输入的CU块矩阵，Gv(x)和Gh(x)分别表示垂直方向和水平方向的梯度，fv和fh分别表示垂直方向和水平方向的Prewitt算子。
相互作用I(x|xi)按下式计算：
Figure BDA0003596429370000063
其中θ(x)为中心像素的首选方向，θ(xi)为相邻像素的首选方向，‘1’表示兴奋性的相互作用，‘0’表示抑制性的相互作用，T为判断阈值。本发明中，T设置为6，阈值的选择由实验统计而得，不限于此。
所述的纹理描述符P按下式计算：
P＝Α(I(x|x1),I(x|x2),…,I(x|xn))
其中A(·)表示的是响应的排列，即中心像素与其相邻像素之间的模式，I(x|xi)表示的x与χ＝{x1，x2，…，xn}之间的相互作用，即x与χ中的像素之间的相关性，当I(x|xi)全为1时，则认为是平坦的纹理描述符。
将平坦的纹理描述符比例PS与预设的第一阈值TH1进行比较，若满足PS＞TH1，则认为当前编码CU块为平坦区域。本发明中，TH1设置为0.85，阈值的选择由实验统计而得，不限于此。
2)将尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，得到尺寸为32×32的CU块，对尺寸为32×32的CU块计算水平、垂直活动度，若水平、垂直活动度之差小于设定阈值，则采取VTM默认方式，否则进入步骤3)；
具体的，对当前编码CU计算水平梯度Dh和垂直梯度Dv，从而计算得到水平活动度Acth、和垂直活动度Actv。
其中，计算水平梯度Dh和垂直梯度Dv，计算公式为：
Dh＝M*ρh Dv＝M*ρv
Figure BDA0003596429370000071
其中，M为输入的CU块矩阵，ρv和ρh是优化后的Prewitt算子，能够更好的体现当前块的纹理信息。
计算水平活动度Acth、和垂直活动度Actv，计算公式为：
Figure BDA0003596429370000072
Figure BDA0003596429370000073
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure BDA0003596429370000074
为D的平均值。若|Acth＞Actv|＞TH2，则进行纹理活动度计算，反之采取VTM默认方式。本发明中，TH2设置为20，阈值的选择由实验统计而得，不限于此。
3)若水平活动度大于垂直活动度，则计算四叉树划分、水平二叉树划分和水平三叉树划分的纹理活动度，若垂直活动度大于水平活动度，则计算四叉树划分、垂直二叉树划分和垂直三叉树划分的纹理活动度，并对纹理活动度大小进行判别，若存在最大值，则选择最大纹理活动度的划分方式为当前CU的划分方式，否则采取VTM默认方式。
其中，纹理活动度计算公式为：
具体地，在步骤3)中，所述纹理活动度计算公式为：
Figure BDA0003596429370000081
Figure BDA0003596429370000082
Figure BDA0003596429370000083
Figure BDA0003596429370000084
Figure BDA0003596429370000085
Figure BDA0003596429370000086
Figure BDA0003596429370000087
Figure BDA0003596429370000088
Figure BDA0003596429370000089
Figure BDA00035964293700000810
Figure BDA0003596429370000091
Figure BDA0003596429370000092
Figure BDA0003596429370000093
Figure BDA0003596429370000094
Figure BDA0003596429370000095
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure BDA0003596429370000096
为梯度的平均值，
Figure BDA0003596429370000097
为(x，y)点处的垂直梯度，
Figure BDA0003596429370000098
为(x，y)点处的水平梯度，
Figure BDA0003596429370000099
为水平梯度的平均值，
Figure BDA00035964293700000910
为垂直梯度的平均值，ACTQT为四叉树划分纹理活动度，ACTTV为垂直三叉树划分纹理活动度，ACTTH为水平三叉树划分纹理活动度，ACTBV为垂直二叉树划分纹理活动度，ACTBH为水平二叉树划分纹理活动度。
本发明提供的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，利用纹理描述符进行阈值判断是否为平滑区域，若是，则尺寸为64×64的CU块和尺寸为32×32的CU提前终止划分，反之尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，尺寸为32×32的CU进行采取进一步的划分。采用这种方法能提前终止平坦的CU块划分，跳过大量的代价计算，简单有效地节省编码时间。
本发明方法中，利用水平垂直活动度以及纹理活动度对当前编码CU的划分方式进行选择时，充分利用活动度与划分方式的对应关系，选择可能性最高的划分方式，跳过不必要的代价计算，有效地降低计算复杂度。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据纹理描述符对当前编码CU的纹理复杂度进行判别，若为平坦区域，则终止当前CU的划分，否则进入步骤2)；
2)将尺寸为64×64的CU块采取四叉树划分，得到尺寸为32×32的CU块，对尺寸为32×32的CU块计算水平、垂直活动度，若水平、垂直活动度之差小于设定阈值，则采取VTM默认方式，否则进入步骤3)；
3)若水平活动度大于垂直活动度，则计算四叉树划分、水平二叉树划分和水平三叉树划分的纹理活动度，若垂直活动度大于水平活动度，则计算四叉树划分、垂直二叉树划分和垂直三叉树划分的纹理活动度，并对纹理活动度大小进行判别，若存在最大值，则选择最大纹理活动度的划分方式为当前CU的划分方式，否则采取VTM默认方式。
2.如权利要求1所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，步骤1)中，对当前编码CU计算首选方向θ和相互作用I(x|xi)，获取纹理描述符P；将平坦的纹理描述符比例PS与预设的第一阈值TH1进行比较，判断当前编码CU块是否为平坦区域。
3.如权利要求2所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，步骤1)中，所述的首选方向θ按下式计算：
Figure FDA0003596429360000011
Gh＝F*fh Gυ＝F*fυ
Figure FDA0003596429360000012
其中：F为输入的CU块矩阵，Gυ(x)和Gh(x)分别表示垂直方向和水平方向的梯度，fυ和fh分别表示垂直方向和水平方向的Prewitt算子。
4.如权利要求2所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，在步骤1)中，所述的相互作用I(x|xi)按下式计算：
Figure FDA0003596429360000021
其中：θ(x)为中心像素的首选方向，θ(xi)为相邻像素的首选方向，‘1’表示兴奋性的相互作用，‘0’表示抑制性的相互作用，T为判断阈值。
5.如权利要求2所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，所述的纹理描述符P按下式计算：
P＝A(I(x|x1)，I(x|x2)，…，I(x|xn))
其中A(·)表示的是响应的排列，即中心像素与其相邻像素之间的模式。
6.如权利要求2所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，将平坦的纹理描述符比例PS与预设的第一阈值TH1进行比较，判断当前编码CU块是否为平坦区域，具体为：
若平坦的纹理描述符比例PS满足PS＞TH1，则认为当前编码CU块为平坦区域。
7.如权利要求1所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，所述计算水平、垂直活动度，具体为：
对当前编码CU计算水平梯度Dh和垂直梯度Dυ；
根据水平梯度Dh和垂直梯度Dυ计算得到水平活动度Acth和垂直活动度Actυ。
8.如权利要求7所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，所述水平梯度Dh和垂直梯度Dυ，计算公式为：
Dh＝M*ρh Dυ＝M*ρυ
Figure FDA0003596429360000022
其中，M为输入的CU块矩阵，ρυ和ρh是优化后的Prewitt算子。
9.如权利要求7所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，所述水平活动度Acth和垂直活动度Actυ，计算公式为：
Figure FDA0003596429360000031
Figure FDA0003596429360000032
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure FDA0003596429360000033
为(x，y)点处的垂直梯度，
Figure FDA0003596429360000034
为(x，y)点处的水平梯度，
Figure FDA0003596429360000035
为水平梯度的平均值，
Figure FDA0003596429360000036
为垂直梯度的平均值；
若|Acth-Actυ|＞TH2，TH2为设定的第二阈值，则进行纹理活动度计算，反之采取VTM默认方式。
10.如权利要求1所述的一种针对H.266/VVC帧内预测编码的快速编码单元划分方法，其特征在于，在步骤3)中，所述纹理活动度计算公式为：
Figure FDA0003596429360000037
Figure FDA0003596429360000038
Figure FDA0003596429360000039
Figure FDA00035964293600000310
Figure FDA00035964293600000311
Figure FDA00035964293600000312
Figure FDA00035964293600000313
Figure FDA00035964293600000314
Figure FDA00035964293600000315
Figure FDA0003596429360000041
Figure FDA0003596429360000042
Figure FDA0003596429360000043
Figure FDA0003596429360000044
Figure FDA0003596429360000045
Figure FDA0003596429360000046
其中，N为当前输入CU块的尺寸，
Figure FDA0003596429360000047
为梯度的平均值，
Figure FDA0003596429360000048
为(x，y)点处的垂直梯度，
Figure FDA0003596429360000049
为(x，y)点处的水平梯度，
Figure FDA00035964293600000410
为水平梯度的平均值，
Figure FDA00035964293600000411
为垂直梯度的平均值，ACTQT为四叉树划分纹理活动度，ACTTV为垂直三叉树划分纹理活动度，ACTTH为水平三叉树划分纹理活动度，ACTBV为垂直二叉树划分纹理活动度，ACTBH为水平二叉树划分纹理活动度。
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CN116456088A (zh) * 2023-03-30 2023-07-18 重庆邮电大学 一种基于可能性大小的vvc帧内快速编码方法

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