一種基于統(tǒng)計分析的由h264到hevc低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，包括以下步驟：(1)對原始H.264視頻流進行解碼，在解碼過程中，提取出當前解碼幀的宏塊編碼比特數(shù)、宏塊編碼模式以及運動矢量場；(2)將HEVC編碼樹單元覆蓋的區(qū)域?qū)?yīng)至當前解碼幀的各個宏塊，計算每個區(qū)域的編碼復雜度，并依據(jù)編碼復雜度確定每個HEVC編碼樹單元的搜索深度范圍；(3)針對每個編碼樹單元，按照對應(yīng)的搜索深度范圍逐級進行運動估計，而后進行相應(yīng)的HEVC重編碼。本發(fā)明能夠顯著提升H.264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼的速度，并確保得到較低的率失真，具有很強的實用性。
【專利說明】—種基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及視頻轉(zhuǎn)碼領(lǐng)域，具體來說是一種基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002]視頻編碼技術(shù)發(fā)展的趨勢之一是追求更高的編碼效率，H.264視頻編碼標準在提高編碼效率以及編碼靈活性方面取得了巨大成功，它使數(shù)字視頻有效地應(yīng)用在各種各樣的網(wǎng)絡(luò)類型和工程領(lǐng)域，然而，多樣化的服務(wù)、高清視頻的普及、以及超高清格式(4KX2K或8KX4K分辨率)的出現(xiàn)對比H.264編碼效率更高的下一代視頻編碼標準提出了強烈的需求。
[0003]在這樣的背景下，MPEG和VCEG組織于2010年成立了視頻編碼聯(lián)合協(xié)作小組(JCT-VC)，經(jīng)過多年的努力研發(fā)出了 H.264標準的繼承者，新一代視頻編碼標準HEVC。
[0004]與H.264相比，HEVC雖然可以在相似的視頻感知質(zhì)量下節(jié)省高達約50%的比特率，但由于H.264廣泛而深入的應(yīng)用，在相當長一段時間內(nèi)，這兩個技術(shù)需要共存，因此
H.264到HEVC的轉(zhuǎn)碼在網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲方面具有重要的現(xiàn)實意義。
[0005]HEVC為了提高編碼效率，引入了一系列相當耗時的編碼算法，給實時視頻轉(zhuǎn)碼應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)，針對HEVC編碼算法特性，在轉(zhuǎn)碼過程中充分利用H.264碼流信息來加速轉(zhuǎn)碼中HEVC重編碼過程是提高轉(zhuǎn)碼器性能的關(guān)鍵之一。
[0006]H.264與HEVC最大的不同在于HEVC采用基于自適應(yīng)四叉樹結(jié)構(gòu)的編碼樹單元(CTU)，替代了 H.264基于宏塊的編碼單元；此外，H.264的幀間預(yù)測編碼只支持7種宏塊分割模式:16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8和4X4，而HEVC不僅支持這些對稱的分割模式，稱為2NX2N、2NXN和NX 2N，而且還支持非對稱的分割模式，稱為:2NXnU、2NXnD、nLX2N和nRX2N(其中nU、nD、nL和nR分別對應(yīng)上下1: 3，上下3: 1，左右1: 3和左右3:1的矩形分割方式)。
[0007]相比H.264固定宏塊大小的編碼單元，HEVC對編碼圖像的劃分更為靈活，從而提供了更好的視頻圖像質(zhì)量，這種差異性也直接導致了 H.264到HEVC轉(zhuǎn)碼的高復雜度。
[0008]視頻轉(zhuǎn)碼器目前主要包括異構(gòu)轉(zhuǎn)碼器、空間分辨率轉(zhuǎn)碼器、幀率轉(zhuǎn)碼器和碼率轉(zhuǎn)碼器4種，其中異構(gòu)轉(zhuǎn)碼器是不同類別壓縮視頻流之間的轉(zhuǎn)換，如MPEG-2到H.264、MPEG-4到H.264等，這類轉(zhuǎn)碼相比同類視頻流間的轉(zhuǎn)換，需要考慮更多的問題。
[0009]從實現(xiàn)角度考慮，轉(zhuǎn)碼器基本可以分為頻域轉(zhuǎn)碼器和時域轉(zhuǎn)碼器兩類，前者先將壓縮視頻流部分解碼至壓縮系數(shù)域，然后再使用目標格式的編碼器直接對系數(shù)進行重新編碼，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是計算量小，轉(zhuǎn)碼速度快，缺點是引入了錯誤漂移，轉(zhuǎn)碼視頻質(zhì)量損失較大；后者將壓縮視頻流充分解碼至像素域，然后根據(jù)不同的要求，再使用目標格式的編碼器重新編碼，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是轉(zhuǎn)碼視頻質(zhì)量高，處理靈活，不會引入錯誤漂移，缺點是計算量大，復雜度高。[0010]HEVC作為當前最新的編碼標準，與以往的編碼標準相比，有著更高的壓縮效率，轉(zhuǎn)碼到HEVC編碼標準的主要目的正是為了在保證視頻質(zhì)量的同時降低碼率，因此，時域轉(zhuǎn)碼器是重點研究的對象，如何在重新編碼階段盡可能重用解碼階段已有的信息以優(yōu)化編碼環(huán)節(jié)，在保證視頻質(zhì)量的同時，提高轉(zhuǎn)碼速度是研究熱點之一。
[0011]然而目前關(guān)于H.264到HEVC的快速轉(zhuǎn)碼算法還處于起步階段，大部分已有工作還僅是針對H.264的轉(zhuǎn)碼算法，其中主要集中在利用輸入視頻的紋理和運動信息來進行快速模式選擇和運動估計。
[0012]其中，F(xiàn)erndindez-Escribano等人創(chuàng)造性地提出了使用機器學習和數(shù)據(jù)挖掘工具來降低MPEG-2到H.264轉(zhuǎn)碼復雜度的新方法，但是這些算法并不能直接有效的適用于HEVC的轉(zhuǎn)碼，最近已有學者對HEVC編碼快速算法展開研究，比如Lee等人通過使用參考幀或前一幀中的相同位置編碼樹結(jié)構(gòu)來預(yù)測當前編碼樹單元的分割結(jié)構(gòu)，有效地加速了編碼過程。
[0013]此外，還有針對HEVC殘差四叉樹編碼的快速算法，和HEVC運動估計快速算法.這些算法都有效地降低了 HEVC編碼的計算復雜度，同時保持了良好的率失真性能，然而這些算法沒有利用碼流信息，還不能很好的降低H.264到HEVC的轉(zhuǎn)碼器的計算復雜度。
[0014]因此，若能結(jié)合H.264和HEVC算法的相似性，找出H.264碼流信息與HEVC重編碼結(jié)果之間的關(guān)系，并利用其來指導和優(yōu)化HEVC重編碼過程，將會大幅降低整個轉(zhuǎn)碼流程的計算復雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供了一種基于統(tǒng)計分析的由H.264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，能夠顯著提升H.264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼的速度，并確保得到較低的率失真，具有很強的頭用性。
[0016]一種基于統(tǒng)計分析的由H.264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，包括以下步驟:
[0017](I)輸入原始H.264視頻流，并對該視頻流進行解碼，在解碼過程中，提取出當前解碼幀的宏塊編碼比特數(shù)、宏塊編碼模式以及運動矢量場；
[0018](2)利用步驟⑴中提取的宏塊編碼比特數(shù)將HEVC編碼樹單元覆蓋的區(qū)域?qū)?yīng)至當前解碼幀的各個宏塊，計算每個區(qū)域的編碼復雜度，并依據(jù)編碼復雜度確定每個HEVC編碼樹單元的搜索深度范圍；
[0019](3)針對每個編碼樹單元，按照對應(yīng)的搜索深度范圍逐級進行運動估計，而后進行相應(yīng)的HEVC重編碼；
[0020]在每一級的運動估計過程中，執(zhí)行如下步驟:
[0021]3-1、利用步驟(I)中提取的宏塊編碼模式，對預(yù)測單元進行Skip模式的提前判決(僅針對64X64和32X32大小的預(yù)測單元進行Skip模式的提前判決)，若預(yù)測單元的模式分值小于設(shè)定的閾值，則該預(yù)測單元被提前判定為Skip模式，即按照Skip模式HEVC重編碼；
[0022]若預(yù)測單元的模式分值大于設(shè)定的閾值，則進行其他模式的判定，若被判定為Intra模式，即按照Intra模式HEVC重編碼；若被判定為Inter模式，則進行步驟3_2 ；
[0023]3-2、利用宏塊編碼比特數(shù)選擇預(yù)測單元的分割模式，
【權(quán)利要求】
1.一種基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)輸入原始H.264視頻流，并對該視頻流進行解碼，在解碼過程中，提取出當前解碼幀的宏塊編碼比特數(shù)、宏塊編碼模式以及運動矢量場； (2)將HEVC編碼樹單元覆蓋的區(qū)域?qū)?yīng)至當前解碼幀的各個宏塊，利用步驟(1)中提取的宏塊編碼比特數(shù)計算每個區(qū)域的編碼復雜度，并依據(jù)編碼復雜度確定每個HEVC編碼樹單元的搜索深度范圍； (3)針對每個編碼樹單元，按照對應(yīng)的搜索深度范圍逐級進行運動估計，而后進行相應(yīng)的HEVC重編碼； 在每一級的運動估計過程中，執(zhí)行如下步驟: 3-1、利用步驟(1)中提取的宏塊編碼模式，對預(yù)測單元進行Skip模式的提前判決，若預(yù)測單元的模式分值小于設(shè)定的閾值，則該預(yù)測單元被提前判定為Skip模式，即按照Skip模式HEVC重編碼； 若預(yù)測單元的模式分值大于設(shè)定的閾值，則進行其他模式的判定，若被判定為Intra模式，即按照Intra模式HEVC重編碼；若被判定為Inter模式，則進行步驟3_2 ； 3-2、利用宏塊編碼比特數(shù)選擇預(yù)測單元的分割模式，
2.如權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，所述步驟(2)中計算每個區(qū)域的編碼復雜度，計算規(guī)則如下:

3.如權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)計分析的由Η264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，所述步驟(2)中依據(jù)編碼復雜度確定每個HEVC編碼樹單元的搜索深度范圍，確定規(guī)則如下:
4.如權(quán)利要求3所述的基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，所述步驟3-1中預(yù)測單元的模式分值的計算公式如下:
5.如權(quán)利要求4所述的基于統(tǒng)計分析的由H264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，所述步驟3-2中，利用宏塊編碼比特數(shù)選擇預(yù)測單元的分割模式時，具體計算公式如下:
6.如權(quán)利要求1~5任一所述的基于統(tǒng)計分析的由Η264到HEVC低復雜度視頻轉(zhuǎn)碼方法，其特征在于，所述步驟3-3中將每個預(yù)測單元按照保留的各種分割模式進行運動搜索時，利用步驟(1)中獲得的H.264碼流中的運動矢量確定HEVC的搜索起點和搜索范圍，其中搜索起點由下式?jīng)Q定:
【文檔編號】H04N7/26GK103475880SQ201310412049
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】陳耀武, 蔣煒, 蔣榮欣, 周凡 申請人:浙江大學