CN1830213A - 用于视频编码的方法和设备 - Google Patents

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CN1830213A CNA200480021786XA CN200480021786A CN1830213A CN 1830213 A CN1830213 A CN 1830213A CN A200480021786X A CNA200480021786X A CN A200480021786XA CN 200480021786 A CN200480021786 A CN 200480021786A CN 1830213 A CN1830213 A CN 1830213A
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Sungkyunkwan University
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Abstract

提供了一种用于视频编码的方法和设备,其中快速判定编码模式,并且以所判定的编码模式执行视频编码。用于视频编码的方法包括:确定形成视频的预定大小的预定块是否满足与包括在多个用来对视频编码的编码模式中的第一模式相对应的预定条件;以及如果满足预定条件,则选择第一模式作为预定块的编码模式。

Description

用于视频编码的方法和设备
技术领域
与本发明一致的方法和设备涉及视频编码,并且更具体地,涉及其中在视频编码中快速判定编码模式、并以所判定的编码模式执行视频编码的视频编码。
背景技术
为根据涉及视频压缩的H.264标准而进行视频编码,将一个画面划分为宏块。在以用于帧间预测(inter prediction)的所有编码模式、以及用于帧内预测(intra prediction)的所有编码模式而对每个宏块编码之后,基于宏块的编码所需的比特率、以及原始宏块和编码后的宏块之间的失真程度,而判定编码模式,并且,以所判定的编码模式执行视频编码。
在帧间预测中使用帧间模式,其是针对于对运动向量信息和为了对当前画面的宏块编码的目的的像素值之间的差编码,其中,如对于参考画面所判定的,运动向量信息指示一个块的位置或多个块的位置。由于根据H.264,可获得任意特定时刻的最多5个参考画面,所以,通过检查存储参考画面的帧存储器中的参考画面,而搜索当前宏块所引用的块。存储在帧存储器中的参考画面可为相对于当前画面的过去画面、或将来画面。
在帧内预测中使用帧内模式,其中,帧内预测针对于使用空间上与要编码的宏块相邻的像素值、而不是引用参考画面来计算要编码的宏块的预测像素值,并且,随后对所预测的像素值和用于对当前画面的宏块编码的目的的像素值之间的差编码。
然而,在与划分宏块的各种方式相对应的帧间预测中、以及在与各种预测方向相对应的帧内模式中,存在大量帧间模式。由此,从所有模式中确定最优模式对于视频编码性能来说是重要的。为此,通常计算所有可能模式的速率-失真(rate-distortion)成本(RDcost),并且,判定具有最小速率失真成本的模式作为最优编码模式。然而,这样的过程需要用于视频编码的大量时间和资金。
发明内容
本发明提供了用于视频编码的方法和设备,其中,通过根据预定规则(order)执行编码模式判定,来快速判定编码模式,并且,以所判定的编码模式执行视频编码。
根据本发明,有可能在无显示质量的显著恶化的情况下快速执行视频编码。换句话说,Rdcost的计算的数目减小了70%或更多,同时不会显著减小信噪比。结果,视频编码所需的时间量可减小约30%。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的用于视频编码的设备的框图;
图2图解了在帧间预测中划分宏块的各种方式;
图3图解了将各种块类型分配到要编码的当前画面的每个宏块的例子;
图4图解了要预测的亮度块P和要在预测中使用的相邻块;
图5A和5B是用于说明所预测的运动向量(PMV)的计算的图;
图6是用于说明RDcost的计算的图;
图7是图解判定编码模式的方法的流程图;
图8A和8B是用于说明平均边界误差(ABE)的计算的图;
图9是根据本发明的实施例的用于视频编码的设备的示意性框图;以及
图10是根据本发明另一个实施例的用于视频编码的设备的示意性框图。
具体实施方式
在一个实施例中,本发明提供了一种用于视频编码的方法,其包括:(a)确定形成视频的预定大小的预定块是否满足与多个视频编码模式中的第一模式相对应的预定条件;以及(b)如果满足预定条件,则选择第一模式作为预定块的编码模式。
在另一个实施例中,本发明提供了一种用于视频编码的方法,其包括:(a)计算形成视频的预定大小的预定块与帧间(inter)模式中的参考画面的参考块的时间相似性;以及(b)根据所计算的时间相似性、以及当前画面的块和相邻块之间的空间相似性,确定是否要忽略帧内(intra)模式中的编码过程。
在其它实施例中,本发明提供了用于如上所述的视频编码的设备。
另外,本发明提供了计算机可读介质,其上包含了用于实现如上所述的视频编码的方法的程序。
现在,将通过参照附图而更完整地描述本发明。
根据本发明的用于视频编码的设备对视频数据进行编码。视频数据由沿时间轴排列的多个画面组成,并且,每个画面由多个块组成。块包括宏块、以及通过沿垂直或水平方向将宏块一分为二或一分为四而获得的子块。后面将参照图2来描述宏块的划分。
图1是根据本发明的实施例的用于视频编码的设备的框图。
用于视频编码的设备包括运动估算器102、运动补偿器104、帧内预测器106、变换器108、量化器110、重新排序器112、熵编码器114、去量化器116、逆变换器118、滤波器120、以及帧存储器122。
用于视频编码的设备以从各种编码模式中选择的编码模式,对当前画面的宏块执行编码。为此,通过以帧间预测和帧内预测可具有的所有可能的模式执行编码而计算RDcost,选择具有最小RDcost的模式作为最优编码模式,并且,以所选编码模式执行编码。将在后面详细描述RDcost。然而,在选择本发明的编码模式的方法中,选择最优编码模式不一定通过RDcost的计算而执行,而可使用各种不同方法来执行。
运动估算器102在用于帧间预测的参考画面中搜索当前画面的宏块的预测值。如果在半像素单元或四分之一像素单元中找到了参考块,那么,运动补偿器104使用所找到的半像素和四分之一像素选择参考块数据值。这样,由运动估算器102和运动补偿器104执行帧间预测。
并且,帧内预测器106执行针对于从当前画面中搜索当前画面的宏块的预测值的帧内预测。通过所有编码模式中的RDcost确定对当前宏块执行帧间预测还是帧内预测。在计算了所有编码模式中的RDcost之后,选择具有最小RDcost的模式作为用于当前宏块的编码模式,并执行当前宏块的编码。
如上所述,一旦通过执行帧间预测或帧内预测而找到了当前帧的宏块所引用的预测数据,便从当前帧的宏块中减去预测数据,在变换器108中执行变换,并且,在量化器110中执行量化。从当前帧的宏块中减去运动估算参考块的结果被称为剩余信号,并且,对剩余信号进行编码,以减小编码中的数据量。由重新排序器112对量化后的剩余信号重新排序,并且,随后由熵编码器114对其编码。
为获得要在帧间预测中使用的参考画面,由去量化器116将量化后的画面去量化,并且,随后,由逆变换器118对其处理,并且由此,对当前画面进行解码。将解码后的当前画面存储在帧存储器122中,并使用其来执行对下一个画面的帧间预测。一旦解码后的画面通过滤波器120,它便被转换为除了原始画面中的误差之外还包括一些编码误差的画面。
图2图解了在帧间预测中划分宏块的各种方式。
在根据H.264的帧间预测中,可将一个16×16宏块划分为16×16、16×8、8×16、或8×8子块,并且,每个8×8块可被划分为8×4、4×8、或4×4子块。对这些子块执行运动估算和补偿,由此,对于每个子块确定运动向量。如果以各种块模式执行帧间预测,那么,可关于视频中的对象的特性和移动而有效率地执行编码。
图3图解了将各种块类型分配给要编码的当前画面的每个宏块的例子。
参照图3,分配可变块的大小,以便在视频的运动很简单且对象很大时使用大块、而在视频的运动很复杂且对象很小时使用小块,来执行帧间预测。
因此,一个宏块可具有各种子块。如上所述,由于将一个宏块划分为16×8、8×16、或8×8块,并将每个8×8块划分为8×4、4×8、或4×4块,一个宏块可具有的模式的种类包括四个种类16×16、16×8、8×16和8×8,以及四种属于每个8×8块的块。因此,存在用于每个宏块的总共4+(4×4×4×4-1)=259种模式。因此,在帧间预测中,在计算了用于259种模式的RDcost之后选择一个模式,从而产生大量计算。
图4图解了要预测的亮度块P和要在预测中使用的相邻块。
关于亮度和色度执行帧内预测。一旦以帧内模式对块编码,便使用与块P 410相邻的解码后的块A至L预测要预测的块P 410。不仅对亮度(luma)块、还对色度(U和V信号)块执行预测。亮度块P 410是由若干个4×4块组成的16×16块。这里,块a至p是要预测的4×4块,而A、B、C、D和I、J、K、L是在预测中使用的块。
可根据要预测的块的大小而将帧内预测分为两个类型:4×4预测和16×16预测。并且,根据预测方向,在4×4预测中存在9个模式,而在16×16预测中存在4个模式。根据预测方向对4×4预测中的9个模式分类,其中,使用与要预测的4×4块相邻的块A、B、C、D和I、J、K、L的像素值获得预测样本。
更具体地,4×4帧内luma预测模式包括垂直模式、水平模式、DC模式、对角线下左(diagonal_down_left)模式、对角线下右(diagonal_down_right)模式、垂直右(vertical_right)模式、水平下(horizontal_down)模式、垂直上(vertical_up)模式、水平上(horizontal_up)模式。16×16帧内luma预测模式包括垂直模式、水平模式、DC模式、以及平面模式。由于应当在诸如以上模式的各种模式中计算RDcost,所以,像帧间预测一样,需要大量计算。
图5A和5B是用于说明PMV的计算的图。
参照图5A,当前宏块C的运动向量具有与相邻宏块的运动向量相似的很高的概率。由此,使用相邻宏块A、B和D的运动向量来预测当前宏块C的运动向量。可通过计算宏块A、B和D的运动向量的中值而执行预测。在编码中,从实际运动向量中减去PMV。
如图5B所示,如果当前块C的大小不同于相邻宏块的划分块的大小,则存在从相邻宏块的划分块中选择相邻块的问题。此时,选择在当前块之上的相邻块的最左部的块A′、在右上方向与当前块的最右上部的像素沿对角线相邻的像素块B′、以及与当前块的左侧相邻的块中的最高电平的块D′。使用所选块A′、B′、以及D′的运动向量来计算PMV。
在H.264编码中,通过选择在帧间预测期间选择的模式、或在帧内预测期间选择的模式,而执行预测。H.264的压缩效率取决于执行预测的所选模式。为选择最佳模式,使用所有模式执行块的预测,并计算RDcost。
图6是用于说明RDcost的计算的图。
速率R表示比特率,并指示在对一个宏块编码中使用的位数。由此,速率R是通过在变换器和量化器610以及可变长度编码器620中处理帧间预测或帧内预测之后剩下的剩余信号而获得的位数、通过在可变长度编码器620中处理运动向量信息而获得的位数、以及通过在可变长度编码器620中处理参考画面信息而获得的位数的和。相反,失真D表示在对编码后的视频解码时,原始宏块和解码后的宏块之间的差。由此,一旦在由去量化器和逆变换器630处理之后对原始宏块进行解码,便可获得失真D。如下,由速率-失真成本计算器640使用所获得的速率和失真来计算RDcost。
RDcost=失真+λ×速率    ………………………………(1)
其中,“失真”表示在当前宏块和被编码并随后被解码的对应宏块之间的像素值的差,且使用等式2来计算。“速率”表示使用如上所述的方法而计算的比特率。
Figure A20048002178600101
其中,B(k,l)和B′(k,l)分别表示当前宏块和解码后的宏块的(k,l)的像素值。可使用等式3获得λ。
λ=0.85×2QP/3          ……………………………(3)
其中,QP表示范围从0至51的整数,且为H.264量化值,而“速率”表示当前宏块的编码所需的位数。
图7是图解判定编码模式的方法的流程图。
一旦输入了当前块,便首先检查当前块是否处于跳过(skip)模式。在跳过模式中,仅传送或存储要编码的块的编码模式信息。存在当前块的给定块的像素值等于参考块的对应块的像素值的很大概率,这是因为仅传送或存储编码模式信息而不需要传送或存储附加的编码数据,如剩余信号或运动向量信息。为检查当前块是否处于跳过模式,在步骤S705,对当前块执行运动估算,并选择参考画面。在步骤S710,确定当前块是否满足下面四个条件的全部:
①用于帧间预测的块大小为16×16,②在存储在帧存储器中的参考画面(仅一个先前画面)之中,用来对当前块编码的参考画面在时间上最接近于当前画面,③运动向量为(0,0)或与其PMV相同,以及④作为当前块和参考画面的像素值的差的剩余信号的变换系数全被量化为0。
可替换地,必须满足下面的全部三个条件:
①用于帧间预测的块大小为8×8,②用来对当前块进行编码的参考画面和运动向量与来自和当前块在空间或时间上相邻的块的参考画面以及该块的运动向量信息的预测值相同,以及③作为当前块和参考画面的像素值的差的剩余信号的变换系数全被量化为0。
一旦全部满足了以上跳过条件,那么,在步骤S720,便确定该块处于跳过模式,并且,在不检查看当前块是否具有其它模式的情况下终止编码模式判定过程。
如果未满足以上跳过条件,那么,在步骤S725,以帧间预测可以具有的其它模式执行帧间预测,从帧间预测的模式之中判定帧间模式,并且,计算在以所判定的帧间模式执行编码时获得的位数。此时,从所有可能模式中的一些的组中、而不是从所有可能模式中选择帧间模式。这样,计算出平均速率(AR)。使用等式4计算AR,并且,AR表示每像素的速率。由于已经执行了帧间预测,所以,已经获知了速率。
Figure A20048002178600111
在步骤S730,计算平均边界误差(ABE)。
图8A和8B是用于说明ABE的计算的图。
为了计算ABE,使用等式5来计算边界误差的和(SBE)。随后,计算每像素的ABE。
SBE = Σ i = 0 15 [ | Y Orig ( x , y + i ) - Y Rec ( x - 1 , y + i ) | + | Y Orig ( x + i , y ) - Y Rec ( x + i , y - 1 ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | U Orig ( cx , cy + i ) - U Rec ( cx - 1 , cy + i ) | + | U Orig ( cx + i , cy ) - U Rec ( cx + 1 , cy - 1 ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | V Orig ( cx , cy + i ) - V Rec ( cx - 1 , cy + i ) | + | V Orig ( cx + i , cy ) - V Rec ( cx + 1 , cy - 1 ) | ]
ABE = 1 64 SBE , 其中,64=(16+16)Luma+(8+8)Chroma×2
                                      …………………………(5)
其中,YOrig、UOrig、以及VOrig表示当前宏块的像素值,而YRec、URec、以及VRec表示所解码的相邻宏块的像素值。如可在图8A中看出的,(x,y)表示luma块的像素坐标,而(cx,cy)表示色度块的像素坐标。
参照图8B,在情况1中,不存在解码后的相邻宏块,并且,不能使用等式5计算ABE。由此,在此情况下,将ABE设为0。在情况2中,如果不存在左边的相邻块,则如下排列等式5。
SBE = Σ i = 0 15 [ | Y Orig ( x + i , y ) - Y Rec ( x + i , y - 1 ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | U Orig ( cx + i , cy ) - U Rec ( cx + i , cy - 1 ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | V Orig ( cx + i , cy ) - V Rec ( cx + i , cy - 1 ) | ]
ABE = 1 32 SBE - - - ( 6 )
在情况3中,如果不存在当前宏块之上的相邻块,则如下排列等式5。
SBE = Σ i = 0 15 [ | Y Orig ( x , y + i ) - Y Rec ( x - 1 , y + i ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | U Orig ( cx , cy + i ) - U Rec ( cx - 1 , cy + i ) | ]
+ Σ i = 0 7 [ | V Orig ( cx , cy + i ) - V Rec ( cx - 1 , cy + i ) | ]
ABE = 1 32 SBE - - - ( 7 )
在情况4中,可使用等式5来计算ABE。
在步骤S735,比较AR和ABE。AR和ABE的计算分别是时间相似性和空间相似性的计算的例子。如果ABE大于AR,则其意味着当前宏块具有处于帧间模式而不是帧内模式的更高的概率。由此,在步骤S750,将当前宏块确定为处于在步骤S725中选择的帧间模式,并终止该过程。如果ABE不大于AR,则在步骤S740,从帧内模式中选择一个模式。在步骤S745,从所判定的帧内模式和先前选择的帧间模式中选择当前宏块的编码模式。
除了AR之外的时间相似性确定的另一个例子是使用当前画面的宏块的像素值和帧间模式中的参考画面的参考块的差。所述差可通过计算当前宏块和参考画面的参考块的相应像素值之间的差、对差的绝对值或差的平方值求和、并将该和乘以预定比率λ而获得。
图9是根据本发明的实施例用于视频编码的设备的示意性框图。
用于视频编码的设备包括确定单元910、编码模式判定单元920、以及编码执行单元930。
确定单元910确定形成视频的预定大小的块是否满足用于视频编码的多个编码模式中的跳过模式的条件。上面已经描述了用于跳过模式的条件。如果满足上述所有条件,则编码模式判定单元920判定跳过模式作为块的编码模式。如果未满足所述条件,则编码模式判定单元920进一步执行帧间预测或帧内预测,并选择各种编码模式中的一个作为块的编码模式。
编码执行单元930根据由编码模式判定单元920选择的编码模式而创建压缩视频数据。
图10是根据本发明的另一个实施例用于视频编码的设备的示意性框图。
时间相似性计算单元1010计算当前画面的宏块与帧间模式中的参考画面的参考块的时间相似性。
比较单元1020根据所计算的时间相似性、以及当前画面的宏块和相邻块之间的空间相似性,确定是否要忽略帧内模式中的编码过程。由此,决定一个编码模式。优选但不是必要地,基于AR和ABE计算时间相似性和空间相似性。
时间相似性的计算的另一个例子是使用当前画面的宏块和帧间模式中的参考画面的参考块的像素值的差。所述差可通过计算当前宏块和参考画面的参考块的各个像素值之间的差、对差的绝对值或差的平方值求和、并将和乘以预定比率λ而获得。
编码执行单元1030根据由比较单元1020决定的编码模式创建压缩视频数据。
可作为计算机程序而写入根据本发明的用于视频编码的方法。可由本发明领域中的程序员容易地解释形成程序的代码和代码片段。并且,将程序存储在计算机可读介质中,并由计算机读取和实现,由此实现用于视频编码的方法。计算机可读介质的例子包括磁记录介质、光记录介质、以及载波。
尽管已参照本发明的示范实施例具体地示出并描述了本发明。但本领域的技术人员将理解,其中可做出各种形式和细节上的改变,同时不背离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围。应仅将示范实施例视为描述性的意义,而不是用于限制的目的。因此,不是通过本发明的详细描述、而是通过所附权利要求来定义本发明的范围,并且,范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (23)

1、一种用于视频编码的方法,包括:
(a)确定形成视频的预定大小的预定块是否满足与多个视频编码模式中的第一模式相对应的预定条件;以及
(b)如果满足预定条件,则选择第一模式作为预定块的编码模式。
2、如权利要求1所述的方法,还包括:(c)以第一模式创建预定块的编码视频数据。
3、如权利要求1所述的方法,其中,第一模式是跳过模式,其中仅传送或存储预定块的编码模式信息。
4、如权利要求3所述的方法,其中,第一模式是H.264中的跳过模式。
5、如权利要求1所述的方法,其中,预定条件包括:用于帧间预测的块大小为16×16;参考画面仅为一个先前画面;运动向量为(0,0)或与预测运动向量相同;以及作为预定块和参考画面的块的像素值的差的剩余信号的变换系数全被转换并量化为0。
6、如权利要求1所述的方法,其中,预定条件包括:用于预定块的运动估算的块大小为8×8;第一参考画面和第一运动向量与预测值相同,该预测值来自与预定块在空间或时间上相邻的相邻块的第二参考画面、以及相邻块的第二运动向量;以及预定块和参考画面的相邻块的像素值的差全被转换并被量化为0。
7、一种用于视频编码的方法,包括:
(a)计算形成视频的预定大小的预定块与帧间模式中的参考画面的参考块的时间相似性;以及
(b)根据所计算的时间相似性、以及当前画面的块和相邻块之间的空间相似性,确定是否要忽略帧内模式中的编码过程。
8、如权利要求7所述的方法,其中,使用对预定块编码所需的位数确定时间相似性,并且,通过要编码的当前画面的块和其相邻块之间的像素值的差而确定空间相似性。
9、如权利要求7所述的方法,其中,通过预定块和参考画面的参考块之间的像素值的差确定时间相似性,并且,通过要编码的当前画面的块和其相邻块之间的像素值的差确定空间相似性。
10、如权利要求8所述的方法,其中,在要编码的当前画面的块中,通过计算存在于要编码的当前画面的块和用于亮度及色度的其它解码块之间的边界处的像素的像素值的差,确定空间相似性。
11、如权利要求8所述的方法,其中,通过对当前画面的预定块和参考块之间的差编码所需的位数、对运动向量编码所需的位数、以及对参考画面信息编码所需的位数,确定时间相似性。
12、一种用于视频编码的设备,包括:
确定单元,其确定形成视频的预定大小的预定块是否满足与多个视频编码模式中的第一模式相对应的预定条件;以及
编码模式判定单元,如果满足预定条件,其便选择第一模式作为预定块的编码模式。
13、如权利要求12所述的设备,还包括编码执行单元,其以第一模式创建压缩的视频数据。
14、如权利要求12所述的设备,其中,第一模式H.264中的跳过模式。
15、如权利要求12所述的设备,其中,预定条件包括:用于帧间预测的块大小为16×16;参考画面仅为一个先前画面;运动向量为(0,0)或与预测运动向量相同;以及作为预定块和参考画面的块的像素值的差的剩余信号的变换系数全被量化为0。
16、如权利要求12所述的方法,其中,预定条件包括:用于预定块的运动估算的块大小为8×8;第一参考画面和第一运动向量与预测值相同,该预测值来自与预定块在空间或时间上相邻的块的第二参考画面、以及相邻块的第二运动向量;以及预定块和参考画面的相邻块的像素值的差全被转换并被量化为0。
17、一种用于视频编码的设备,包括:
时间相似性计算单元,其计算形成视频的预定大小的预定块与帧间模式中的参考画面的参考块的时间相似性;以及
比较单元,其根据所计算的时间相似性、以及预定块和与当前画面相邻的块之间的空间相似性之间的差,确定是否要忽略帧内模式中的编码过程。
18、如权利要求17所述的设备,还包括编码执行单元,其以所判定的编码模式创建压缩的视频数据。
19、如权利要求17所述的设备,其中,通过对预定块编码所需的位数确定时间相似性,并且,通过要编码的预定块和与其相邻的块之间的像素值的差确定空间相似性。
20、如权利要求17所述的设备,其中,通过预定块和参考画面的参考块之间的像素值的差确定时间相似性,并且,通过要编码的预定块和与其相邻的块之间的像素值的差确定空间相似性。
21、如权利要求19所述的设备,其中,在要编码的预定块中,通过计算存在于要编码的预定块和用于亮度及色度的其它相邻解码块之间的边界处的像素的像素值的差,确定空间相似性。
22、如权利要求19所述的设备,其中,通过对当前画面的预定块和参考块之间的差编码所需的位数、对运动向量编码所需的位数、以及对参考画面信息编码所需的位数,确定时间相似性,
23、一种计算机可读介质,其上已嵌入了用于实现视频编码的方法的程序,该方法包括:
(a)确定形成视频的预定大小的预定块是否满足与多个视频编码模式中的第一模式相对应的预定条件;以及
(b)如果满足预定条件,则选择第一模式作为预定块的编码模式。
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