一種高性能視頻編碼無(wú)損模式的殘差變換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能視頻編碼無(wú)損模式的殘差變換方法，該方法包括：若當(dāng)前編碼單元為水平或垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，則利用當(dāng)前殘差ri,j左側(cè)或上端的K個(gè)殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)αi,j，預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差ri,j；利用所述當(dāng)前殘差ri,j與其預(yù)測(cè)值之間的差值ai,j代替所述當(dāng)前殘差ri,j進(jìn)行熵編碼；求解使得所述差值ai,j為最小值的最佳系數(shù)αi,j，并根據(jù)所述最佳系數(shù)αi,j獲得變換矩陣。通過(guò)采用本發(fā)明公開的方法大大的降低了碼率，提高了編碼性能，同時(shí)可無(wú)失真地保持視頻內(nèi)容。
【專利說(shuō)明】一種高性能視頻編碼無(wú)損模式的殘差變換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及視頻編碼【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高性能視頻編碼無(wú)損模式的殘差變換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于視頻等多媒體通信的需求也越來(lái)越高。然而，視頻的數(shù)據(jù)量巨大，未經(jīng)過(guò)編碼壓縮的視頻數(shù)據(jù)基本無(wú)法在現(xiàn)有信道中傳輸。為了滿足上面的各種要求，國(guó)際上先后提出了各種視頻編碼方案。從上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，ITU (國(guó)際電信聯(lián)盟)和ISO (國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)聯(lián)合制定了一系列關(guān)于視頻壓縮編解碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和建議，其中，ITU提出的H.26X系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和IS0/IEC JTC推出的MPEG (動(dòng)態(tài)圖像專家組)系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)影響最大。2013年I月，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)化組織 JCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding,視頻編碼聯(lián)合組)正式發(fā)布最
新一代視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)-HEVC (High Efficiency Video Coding,高性能視頻標(biāo)準(zhǔn))。
在相同視頻主觀質(zhì)量下，HEVC的碼率大約僅為上一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC的50%。
[0003]在編碼基本框架上，HEVC和先前的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)類似，依然采用混合編碼模式。整個(gè)編碼過(guò)程主要分為:預(yù)測(cè)、變換、量化、環(huán)路濾波、熵編碼五步。預(yù)測(cè)部分分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)。幀內(nèi)預(yù)測(cè)利用當(dāng)前幀已重建像素作為參考像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，幀間預(yù)測(cè)利用前面或后面幀重建的像素值作為參考進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)完成后，將所得的預(yù)測(cè)值與當(dāng)前塊相減，進(jìn)而得到殘差，殘差經(jīng)過(guò)變換量化得到變換系數(shù)，最后將變換系數(shù)經(jīng)過(guò)熵編碼而得到最后的碼流。無(wú)論是幀間預(yù)測(cè)，還是幀內(nèi)預(yù)測(cè)都需要用到重建圖像的信息，因而在編碼過(guò)程中，還需要將編碼的殘差系數(shù)進(jìn)行反量化反變換，得到其殘差圖像，再將該殘差圖像與預(yù)測(cè)值相加，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)路濾波濾除視頻圖像中的噪聲。
[0004]在HEVC標(biāo)準(zhǔn)中，存在有損壓縮和無(wú)損壓縮兩大類編碼模式。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)拇蟛糠忠曨l，進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠袚p失壓縮可以很好地降低碼率，從而提高傳輸?shù)男?。而?duì)于醫(yī)學(xué)視頻、遙感視頻、指紋等領(lǐng)域，無(wú)損壓縮也存在很廣泛的應(yīng)用。HEVC標(biāo)準(zhǔn)的主流應(yīng)用為有損壓縮，其標(biāo)準(zhǔn)的制定也主要為有損壓縮編碼而服務(wù)。在HEVC標(biāo)準(zhǔn)中，無(wú)損壓縮作為有損壓縮的擴(kuò)展部分存在。因而，在HEVC有損壓縮標(biāo)準(zhǔn)之上，再開發(fā)一套全新的編碼工具來(lái)獲得盡可能好的無(wú)損編碼效率已經(jīng)不切實(shí)際。因此，在進(jìn)行HEVC無(wú)損編碼方案設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)遵循這樣的設(shè)計(jì)原則:盡可能地利用已有的HEVC有損編碼結(jié)構(gòu)，提出的無(wú)損編碼方案對(duì)原始的有損編碼結(jié)構(gòu)改動(dòng)盡可能小，以滿足該標(biāo)準(zhǔn)的通用性和硬件實(shí)現(xiàn)的兼容性，同時(shí)考慮編碼效率和復(fù)雜度的平衡。
[0005]在HEVC標(biāo)準(zhǔn)中，由于量化存在量化失真，且其對(duì)殘差的變換過(guò)程與量化結(jié)合在一起進(jìn)行，因而其變換過(guò)程也存在失真。為了保持原有的有損壓縮編碼框架，HEVC標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)損壓縮編碼直接將變換量化過(guò)程跳過(guò)。另外，由于編碼前后像素?zé)o失真，因而不需要進(jìn)行環(huán)路濾波，HEVC無(wú)損壓縮編碼也跳過(guò)了環(huán)路濾波過(guò)程。換言之，在目前HEVC無(wú)損壓縮實(shí)現(xiàn)中，僅是將變換、量化、環(huán)路濾波三部分跳過(guò)，以保持重建視頻圖像和原始編碼視頻圖像的無(wú)失真。雖然，簡(jiǎn)單跳過(guò)變換、量化、環(huán)路濾波三個(gè)過(guò)程對(duì)原有的編碼框架改動(dòng)小，易于實(shí)現(xiàn)，但是其編碼效率相對(duì)較低，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。對(duì)此，已經(jīng)有很多相關(guān)的研究提出了對(duì)無(wú)損編碼性能進(jìn)行提高的方法，下面將簡(jiǎn)略介紹幾個(gè)主要方案及其優(yōu)劣。
[0006]I)針對(duì)水平/垂直方向幀內(nèi)預(yù)測(cè)的RDPCM (殘差差值脈沖編碼調(diào)制)
[0007]該方案與原先使用在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中的DPCM (差值脈沖編碼調(diào)制)方法類似。如圖1a-圖1b所示，設(shè)MxN的矩陣R(元素為ι^_)表示經(jīng)幀內(nèi)預(yù)測(cè)后亮度或色度分量的殘差矩陣。當(dāng)幀內(nèi)預(yù)測(cè)的模式為垂直方向時(shí)(如圖1a所示)，對(duì)殘差矩陣進(jìn)行如式I所示相減，以獲得到矩陣/?(元素為I)。當(dāng)幀內(nèi)預(yù)測(cè)的模式為水平方向時(shí)(如圖1b所示)，對(duì)殘差矩陣進(jìn)行如式2所示相減，同樣獲得到矩陣及(元素為)。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能視頻編碼無(wú)損模式的殘差變換方法，其特征在于，該方法包括: 若當(dāng)前編碼單元為水平或垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，則利用當(dāng)前殘差左側(cè)或上端的K個(gè)殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)a u，預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差η； 利用所述當(dāng)前殘差ru與其預(yù)測(cè)值之間的差值a。代替所述當(dāng)前殘差ru進(jìn)行熵編碼； 求解使得所述差值a。為最小值的最佳系數(shù)a u，并根據(jù)所述最佳系數(shù)au獲得變換矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差ru包括: 若當(dāng)前編碼單元為水平方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，則利用當(dāng)前殘差左側(cè)的K個(gè)殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)(^j,預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差ri，j,其公式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述求解使得所述差值\j為最小值的最佳系數(shù)a i；J包括: 對(duì)所述當(dāng)前殘差左側(cè)2K+1個(gè)殘差的關(guān)系進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)，求出最小化平方誤差SE的參數(shù)作為最佳系數(shù)a u，其計(jì)算公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述最佳系數(shù)a。獲得變換矩陣包括: 犾了頁(yè)測(cè)式子
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差ru包括: 若當(dāng)前編碼單元為垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，則利用當(dāng)前殘差上端的K個(gè)殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)(^j,預(yù)測(cè)所述當(dāng)前殘差ri，j,其公式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述求解使得所述差值\j為最小值的最佳系數(shù)a i；J包括: 對(duì)所述當(dāng)前殘差左側(cè)2K+1個(gè)殘差的關(guān)系進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)，求出最小化平方誤差SE的參數(shù)作為最佳系數(shù)a u，其計(jì)算公式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述最佳系數(shù)a。獲得變換矩陣包括:

獲得預(yù)測(cè)式子:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 將水平方向或與所述水平方向的夾角在閾值范圍內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式作為水平方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式； 將垂直方向或與所述垂直方向的夾角在閾值范圍內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式作為垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于， 若當(dāng)前編碼單元幀內(nèi)預(yù)測(cè)方向不為水平方向及垂直方向，則其冗余分布在水平與垂直方向上，對(duì)應(yīng)的變換矩陣為: A=HRH· 其中，NxN大小的矩陣H為:
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 根據(jù)當(dāng)前編碼單元幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式的方向，選擇對(duì)應(yīng)的反變換方法進(jìn)行無(wú)失真的解碼。
【文檔編號(hào)】H04N19/593GK103634608SQ201310648456
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】陳方棟, 張金雷, 李厚強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)