CN1736103A - 帧间编码的快速模式判定 - Google Patents

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Abstract

一种帧间编码的快速模式判定，编码器(10)通过最初限制对指定子集的可能模式(块尺寸)的考虑并与模式联合地执行模式估计，实现了改进的编码效率。考虑最初的模式子集并进行子集中的每一个块的运动估计以建立最佳运动矢量。还对每一个子集进行失真测量。根据失真测量，判定是否针对其他块尺寸对运动进行估计。如果否，则根据估计的运动来选择编码模式。按照该方式，不需要进行对所有可能块尺寸的运动估计。

Description

帧间编码的快速模式判定
基于35 U.S.C 119(e)，本申请要求在2003年1月10日递交的美国临时专利申请序列号No.60/439,296的优先权，其教导包括在此。
技术领域
本发明涉及一种用于减少视频编码的计算复杂度同时保持视频压缩效率的技术。
背景技术
当前存在各种技术来压缩(编码)视频流以便于存储和传输。许多公知的编码技术同时依赖于空间和时间相似性。所提出的H.264编码技术(还已知为JVT和MPEG AVC)指定了针对帧间的帧间和帧内编码(P和B帧)。每一个单独宏块可以经过帧内编码，即，使用空间相关，或利用来自先前编码的帧的时间相关的帧间编码。通常，编码器根据编码效率和主观质量考虑，针对每一个宏块进行帧间/帧内编码判定。典型地，根据先前帧较好预测的宏块经过帧间编码，而未根据先前帧较好预测的宏块和具有低空间活动性的宏块典型地经过帧内编码。
所提出的JVT/ITU H.264编码技术允许对16×16宏块的各种块分割，以便进行帧间编码。特别地，所提出的H.264编码技术容许对16×16宏块的16×16、16×8、8×16和8×8分割和对8×8子宏块的8×8、8×4、4×8、4×4分割、以及多重参考图像。另外，所提出的H.264编码技术还支持跳跃和帧内模式。这存在两种类型的帧内模式：4×4和16×16，此后称之为INTRA_4×4和INTRA_16×16。INTRA_4×4模式支持9个预测模式，而INTRA_16×16模式支持4个预测模式。所有这些选择已经极大地增加了与及时(timely)方式进行判定相关联的复杂性。
因此，需要一种简化模式判定的技术。
发明内容
简要地，根据优选实施例，提出了一种对能够分割为多个不同块尺寸的宏块进行编码的方法。最初，选择块尺寸的子集。估计与子集中的每一个块尺寸相关的图像的运动以建立最佳运动矢量。对于每一个块尺寸，建立失真测量。根据该失真测量，判定针对未在子集内的块尺寸，是否应该发生运动估计。如果不应该，则编码器选择用于根据所选的子集的块尺寸的估计运动来编码宏块的编码模式。
附图说明
图1示出了根据JVT压缩标准对视频进行编码的传统编码器的方框示意图；
图2以流程图的形式示出了根据针对帧间编码进行判定的当前原理的方法；
图3以流程图的形式示出了根据针对帧内编码进行判定的当前原理的方法。
具体实施方式
为了更好地理解本原理的编码方法，参考图1，图1示出了用于编码输入视频流的典型JVT编码器10的结构的方框图。编码器10包括第一块12，用于接收在其正输入处向其提供来自视频源(未示出)的输入视频帧的求差块13的输出。块12对从求差块13接收到的每一个视频帧进行量化，然后执行块变换以产生量化帧以及相应的变换系数集。
环路14反馈由块12输出的每一个量化帧和相应的变换系数以实现预测帧的形成(P或B帧)。环路14包括块15，分别对来自块12的量化帧和变换系数执行反量化和反变换，以便在求和(summation)块16的第一输入处接收，求和块16的输出与解块滤波器18相连。所述解块滤波器18对从求和块16接收到的每一个视频帧进行解块。这样滤波后的帧存储在帧存储器20中，从而产生了多重参考帧22的存储。使用存储在帧存储器20中的参考帧22，预测块24产生根据由运动估计块26产生的运动矢量运动补偿后的重构预测帧。
JVT视频编码标准允许对P和B帧的帧间编码和帧内编码。为了实现帧间编码，求差(differance)块13使其负输出经由选择器27与运动补偿块24相连。按照该方式，求差块13将从每一个输入视频帧中减去一个和多个补偿后的参考帧22。选择器27通过将求差块13的负输入与提供帧内编码参考帧的帧内模式块28相连来实现帧内编码。JVT视频编码标准支持两种用于帧内编码的块类型(尺寸)：4×4和16×16。4×4块尺寸支持9个预测模式：垂直、水平、DC、对角线下/左、对角线下/右、垂直左、垂直下、垂直右和水平上预测。16×16块尺寸支持4个预测模式：垂直、水平、DC和平面预测。选择器27实现空模式，在该空模式下，求差块的负输出既不接收来自运动补偿预测块24的重构帧也不接收帧内模式块28的输出。在该模式下，块12接收输入视频帧，而无需相减。
图1所示的编码器10包括熵编码块30，用于组合将来自块12的量化帧和变换系数与来自运动估计器26的运动数据和控制数据组合在一起以产生编码视频帧。在熵编码块30的输出处所产生的每一个编码帧传递到网络抽象层(NAL)(未示出)以便存储和/或后续传输。熵编码器30可以利用可变长度编码(VLC)或基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)。
所提出的H.264编码技术使用了树形结构的分层宏块分割。帧间编码16×16像素宏块可以分割为宏块尺寸：16×8、8×16或8×8。还可以存在已知为子宏块的8×8的宏块分割。子宏块可以分割为尺寸为8×4、4×8和4×4的子宏块。典型地，编码器10根据特定宏块的特性，选择如何将宏块划分为分区和子宏块分区以便使压缩效率和主观质量最大化。
如所述的，编码器10可以利用多重参考图像来进行帧间预测。在此，参考图像索引识别特定参考图像。P图像(或P片断)利用单向预测和用于管理容许参考图像的单列表(列表0)。指定为列表0和列表1的参考图像的双列表用于管理针对B图像(或B片断)的参考图像的两个集合。JVT视频编码标准允许利用针对B图像(或B片断)的列表0或列表1的单向预测。当使用双预测时，将列表0和列表1预测体一起进行平均以形成最终预测体。每一个宏块分区可以具有独立的参考图像索引、预测类型(列表0、列表1、双预测)和独立运动矢量。每一个子宏块分区可以具有独立运动矢量，而相同子宏块内的所有子宏块分区使用相同的参考图像索引和预测类型。
对于帧间编码宏块，P帧还可以支持除了上述宏块分割之外的跳跃(SKIP)模式，而B帧可以同时支持跳跃和直接(DIRECT)模式。在跳跃模式下，不会出现运动和残余信息编码。运动矢量保持与运动矢量预测体相同。在直接模式下，不对运动信息进行编码，而对预测残余进行编码。根据空间或时间相邻宏块来推断该运动矢量。宏块和子宏块均支持直接模式。
过去，诸如图1所示的编码器10等JVT编码器已经利用了速率失真优化(RDO)框架来判定是利用帧内模式或帧间模式来进行编码。对于帧间模式编码，编码器考虑单独来自模式判定的运动估计。针对所有块类型，首先出现运动估计，然后编码器通过比较利用帧间模式和帧内模式对每一个块进行编码的成本(速率和失真的组合)来进行模式判定。编码器选择具有最小成本的模式作为最佳模式。如果了给定了最大数量的可能块尺寸，则按照该方式选择编码模式消耗了相当大的资源。
本原理的编码技术缓解了与为了帧间编码而进行的模式判决相关联的大部分复杂度。本技术减小了可能考虑的块尺寸的数量并限制了用于运动估计的过去的编码参考图像的集合。按照该方式，针对一些块类型和参考图像的运动估计变得不必要。本技术还减少了测试的帧内模式的数量。
为了简化当前模式选择技术的解释，将这些模式划分为两类：帧间模式和帧内模式。为了讨论，帧间模式包括跳跃模式(和针对B图像的直接模式)和不同块尺寸，包括16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4。帧内模式包括INTRA 4×4模式和INTRA 16×16模式。P图像最适合于说明本技术，尽管该技术也可以适合于B图像。对于B图像，按照相同的方式来对待跳跃模式和直接模式，并且直接模式还考虑了用于选择最佳模式的子宏块。
当前模式选择技术与模式判定联合地进行运动估计。在其选择时，针对特定的帧间模式来进行运动估计。对于帧间模式，跳跃模式并不需要运动搜索，因而具有最低的计算复杂度。根据本原理，跳跃模式保持为单独的，并利用其较低复杂度而接受最高优先级。对于对块尺寸的模式判定，本原理的技术比较失真(差错)测量和块尺寸之间的比值是否为单调的。之后被称为差错表面的该比值提供了关于失真是否随着块尺寸的减少而持续减小的测量。
最初，仅针对以下三种初始块尺寸的每一个出现差错表面计算：16×16、8×8和4×4。在该上下文中，术语“8×8”表示仅使用8×8分区对整个宏块的检查，而术语“4×4”表示仅使用4×4分区对整个宏块的检查。如果J(16×16)＜J(8×8)＜J(4×4)或J(16×16)＞J(8×8)＞J(4×4)，则差错表面具有单调属性，其中运算符J表示差错表面运算符。针对16×16、8×8和4×4块尺寸的差错表面计算将确定是否测试其他模式，例如16×8、8×16或更精细的子宏块分区。在不存在单调差错表面的情况下，所有其他块尺寸必须经过测试。如果该表面是单调的，则最佳两个块尺寸之间的块尺寸需要进一步的测试。
例如，如果两个最佳宏块尺寸是16×16和8×8(暗含着该宏块趋向于使用更大的块分区)，则仅16×8和8×16的块尺寸还需要进一步测试。相反，如果两个最佳块尺寸是8×8和4×4，则这暗含着通过越小的块分区(或子宏块分区)会越好地对宏块进行预测，并且仅8×4和4×8块尺寸需要进一步测试。
图2以流程图的形式示出了根据用于针对帧间编码进行模式判定的当前原理的方法步骤。在执行步骤200时，该方法开始，其中对编码器10内的各个元件进行复位。接下来，在步骤202期间，发生了针对跳跃模式的差错表面计算。在步骤204期间，判定针对跳跃模式的差错表面是否小于第一阈值T1。如果是这样，则跳跃模式构造针对帧间编码的最佳模式，并且在步骤206，进行跳跃模式的选择。之后，在执行步骤208时，宏块编码结束。
如果在步骤204期间跳跃模式差错表面等于或超过T1，则在步骤210期间建立针对16×16和8×8块尺寸的每一个的差错表面。在步骤212期间，判定是否J(跳跃)＜J(16×16)和J(跳跃)＜J(8×8)。如果J(跳跃)＜J(16×16)和J(跳跃)＜J(8×8)，则发生步骤214，并选择最佳帧间模式，考虑运动矢量的编码成本、模式自身和剩下的残余。否则，当条件J(跳跃)＜J(16×16)和J(跳跃)＜J(8×8)不为真时，则发生步骤216，并且计算4×4模式的差错表面。根据以下假定来预测跳跃模式的成本与块尺寸16×16和8×8的成本的比较：如果针对跳跃模式的RD成本最小，则针对具有比跳跃模式更低成本的其他块类型的概率将非常小，从而需要校验其他帧间模式。
在步骤216之后，在步骤218期间校验是否MinJ＝J(8×8)或MaxJ＝J(8×8)。如果是这样，在进行到步骤214之前，在步骤219期间，发生了对16×8、8×16、8×4和4×8的块尺寸的每一个的差错表面判定。否则，如果条件MinJ＝J(8×8)||MaxJ＝J(8×8)不为真，则发生步骤220，并校验MaxJ＝J(4×4)是否为真。如果为真，则在进行到步骤214之前，在步骤222期间对16×8和8×16块尺寸的差错表面进行判定。当执行步骤224和222时，并非所有的参考图像需要进行校验。经验统计显示：仅需要在8×8和4×4模式块尺寸的最佳参考图像内对8×4和4×8块尺寸进行校验，同时在8×8和16×16模式块尺寸的最佳参考图像内对16×8和8×16块模式尺寸进行校验。
在步骤218和220之间进行的比较表明差错表面是否为单调的，如果为真，则避免了使图1所示的编码器10执行步骤219期间进行的差错表面计算的需要。因此，在步骤218和220期间进行的比较用于使针对其进行差错表面测量的块尺寸的子集变窄，从而减少了编码器的计算努力。
如果当在步骤220期间进行校验时MaxJ＝J(4×4)不为真，则发生了步骤224，在步骤224，在进行到步骤214之前，计算子宏块分区的差错表面，否则不进行计算。因此，在步骤224期间，针对每一个8×8的块尺寸发生附加判定处理，以判定哪一类型将在4个子宏块分区之间使用。仅8×4和4×8需要经过测试。可以重新使用8×8和4×4的初始结果。之后，在步骤226期间校验针对最佳帧间模式的残余的能量是否超过了第二阈值T2。如果没有，则在进行到步骤208之间，在步骤228期间，根据在步骤214期间预先选择的最佳帧间模式来进行最佳模式的选择(这假定针对帧间图像，帧间模式总是比帧内模式具有更高的优先级)。
如果在步骤226期间针对最佳帧间模式的残余的能量超过了T2，则发生步骤230，期间，在进行到步骤228之前，针对最佳在内模式进行校验，如参考图3描述的。通过所述残余的能量(成方形幅度)来测量帧间模式的性能，所述残余构成了原始信号和参考信号之间的差。可以根据块变换系数的绝对值的和、或当前宏块中的块变换系数的数量来简单计算该残余。
图3示出了与在执行图2的步骤230期间发生的帧内模式判定相关联的步骤。如图3所示，在执行步骤300时，帧间模式校验开始，期间，判定最佳帧间模式的能量是否超过了第三阈值T3。如果没有，则在进行到图2的步骤228之间，在步骤302期间发生了对DC模式的差错表面的计算。如果在步骤300期间最佳帧间模式的能量超过了第三阈值T3，则在步骤304期间比较最佳帧间模式的能量是否超过了第四阈值T4。如果没有，则在进行到图2的步骤228之前，在步骤306期间，针对垂直、水平和DC模式来建立差错表面。否则，在进行到图2的步骤228之前，在步骤308期间对所有帧内模式的差错表面进行校验。
前文描述了通过结合帧间和帧内编码判定来减小努力量以减小视频编码计算复杂度的技术。

Claims (16)

1、一种对能够分割为多个不同块尺寸的宏块进行编码的方法，包括步骤：
(a)选择块尺寸的子集；
(b)估计与子集中的每一个块尺寸相关联的数据所表示的图像的运动，以建立针对所述每一个块尺寸的最佳运动矢量；
(c)建立针对子集中的每一个块尺寸的失真测量；
(d)根据失真测量判定是否应该对未处于子集内的块尺寸进行运动估计，而如果不应该，则
(e)选择用于根据估计运动对宏块进行编码的编码模式。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于从块尺寸的子集中进行选择的步骤包括以下步骤：选择针对使用JVT编码进行编码的16×16宏块的子尺寸16×16、8×8和4×4。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述判定步骤包括以下步骤：针对16×8、8×16、8×4和4×8块尺寸进行运动估计。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：根据针对所选的块尺寸子集所选的最佳参考图像的集合，执行对仅针对有限参考图像集合的其他块尺寸的运动估计。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：根据失真测量的相对值，判定差错块表面是归类为单调的还是非单调的。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于选择编码模式的步骤包括以下步骤：选择帧间模式和帧内模式之一。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述确定步骤还包括以下步骤：校验帧间模式是否具有超过指定阈值的残余。
8、根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述判定步骤包括以下步骤：判定针对有限帧内模式集的失真测量。
9、一种对能够分割为多个不同块尺寸的宏块进行编码的编码器，所述编码器执行以下步骤：
(a)选择块尺寸的子集；
(b)估计与子集中的每一个块尺寸相关联的数据所表示的图像的运动，以建立针对所述每一个块尺寸的最佳运动矢量；
(c)建立针对子集中的每一个块尺寸的失真测量；
(d)根据失真测量判定是否应该对未处于子集内的块尺寸进行运动估计，而如果不应该，则
(e)选择用于根据估计运动对宏块进行编码的编码模式。
10、根据权利要求9所述的编码器，其特征在于所述编码器通过选择针对使用JVT编码进行编码的16×16宏块的子尺寸16×16、8×8和4×4，从块尺寸的子集中进行选择。
11、根据权利要求9所述的编码器，其特征在于所述编码器针对16×8、8×16、8×4和4×8块尺寸进行运动估计。
12、根据权利要求9所述的编码器，其特征在于所述编码器根据针对所选的块尺寸子集所选的最佳参考图像的集合，执行对仅针对有限参考图像集合的其他块尺寸的运动估计。
13、根据权利要求9所述的编码器，其特征在于所述编码器根据失真测量的相对值，判定差错块表面是归类为单调的还是非单调的。
14、根据权利要求9所述的编码器，其特征在于所述编码器从帧间模式和帧内模式之一中选择编码模式。
15、根据权利要求14所述的编码器，其特征在于所述编码器校验帧间模式是否具有超过指定阈值的残余。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述编码器判定针对有限帧内模式集的失真测量。
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