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一種面向SATD的拉格朗日因子計算方法與流程

文檔序號:12136256閱讀:990來源:國知局
一種面向SATD的拉格朗日因子計算方法與流程

本發(fā)明屬于視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種面向SATD的拉格朗日因子計算方法。



背景技術(shù):

“高像素位深、高幀率、高分辨率”視頻的出現(xiàn)和盛行,促使越來越多的用戶融入到視頻業(yè)務(wù)中,體驗著前所未有的視覺盛宴。然而龐大的數(shù)據(jù)量也致使視頻的存儲和傳輸面臨嚴峻的考驗。新一代視頻編碼標準HEVC(High Efficiency Video Coding,高效視頻編碼)針對“高清/超高清視頻的大數(shù)據(jù)量”這一點,采用更為先進的編碼工具來靈活有效地表示視頻內(nèi)容,不僅在性能上節(jié)省了大量的傳輸帶寬,還提高了視頻的主客觀質(zhì)量。它在很大程度上擴大了內(nèi)容的精細度,給用戶呈現(xiàn)出更加細膩的畫面效果。

率失真優(yōu)化在視頻編碼中扮演著非常重要的角色。每一個候選編碼模式都需經(jīng)過預(yù)測、變換、量化和熵編碼過程,計算出其對應(yīng)的碼率和失真。然后利用率失真代價函數(shù)確定最優(yōu)的編碼模式,以保證編碼器獲得高效的壓縮性能。拉格朗日優(yōu)化是解決率失真優(yōu)化問題的重要手段,其中率失真代價J:

min{J},J=D+λ·R (1)

其中λ就是所謂的拉格朗日因子,R和D分別表示編碼碼率和編碼失真。HEVC幀內(nèi)編碼支持35種幀內(nèi)預(yù)測模式,包括33種角度模式、DC模式、Planar模式。利用拉格朗日優(yōu)化技術(shù),可從35種幀內(nèi)預(yù)測模式中選擇出一種最優(yōu)的預(yù)測模式來最大化提高編碼效率。但如果對這35種幀內(nèi)預(yù)測模式逐一進行變換、量化、熵編碼、反量化、反變換、像素重構(gòu)來獲取準確的編碼碼率和編碼失真,HEVC將要承受很大的計算負荷及處理時延,這對視頻業(yè)務(wù)的傳輸是非常不利的。所以在幀內(nèi)預(yù)測模式判決中,HEVC采用粗略模式判決和全搜索的率失真優(yōu)化這兩步來獲取最優(yōu)模式。

粗略模式判決是在編碼失真的度量尺度為哈達瑪變換的絕對誤差和(SATD)的情況下,計算這35種幀內(nèi)預(yù)測模式的拉格朗日代價JSATD,根據(jù)結(jié)果從中選擇出N種率失真代價JSATD最小的幀內(nèi)預(yù)測模式作為最可能模式(MPM)。N的取值依賴預(yù)測單元大小,當預(yù)測單元大小分別取4×4、8×8、16×16、32×32、64×64時,N值分別為8、8、3、3、3。其中拉格朗日代價JSATD

JSATD=SATD+λpre·Rpre (2)

參數(shù)Rpre是指編碼幀內(nèi)預(yù)測模式所需的比特數(shù)。失真測度參數(shù)SATD的獲取方法為:

其中變量tij表示殘差塊經(jīng)過二維哈達瑪變換后的塊內(nèi)系數(shù),參數(shù)M指殘差塊內(nèi)水平或垂直方向上所含系數(shù)個數(shù)。λpre表示編碼失真度量尺度為SATD下的拉格朗日因子,計算方法為:

λmode指編碼失真度量尺度為均方誤差和(SSE)下的拉格朗日因子。由式(4)可得,基于SATD的拉格朗日因子λpre與基于SSE的拉格朗日因子λmode之間呈簡單的開方關(guān)系??紤]到在粗略模式判決中,基于SATD編碼失真是在變換域中度量的,而基于SSE的編碼失真是在空域中度量的,因此拉格朗日因子λpre的獲取方法具有一定的局限性。

如何選擇合適的拉格朗日因子,直接關(guān)系著碼率和失真之間的權(quán)衡問題。Wiegand等人提出一種有效的拉格朗日因子計算方法(見WIEGAND T,GIROD B..Lagrange multiplier selection in hybrid video coder control.Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing,Thessaloniki,2001),即在量化參數(shù)與拉格朗日因子之間建立一種指數(shù)關(guān)系,該方法已廣泛被業(yè)界所采納且成功地應(yīng)用到HEVC中。Sun等人考慮了用戶感知特性,提出了一種改進的上下文自適應(yīng)的拉格朗日因子選擇方法(見SUN C,WANG H,KIM T,LI H.Perceptually adaptive Lagrange multiplier for rate-distortion optimization in H.264[C].Proceedings of the future generation communication and networking,Jeju,2007)。此外,基于ρ域的率失真模型,Chen等人建立了一種內(nèi)容自適應(yīng)的拉格朗日因子選擇方法(見CHEN L,GARBACEA I.Adaptive lambda estimation in Lagrangian rate-distortion optimization for video coding[C].Proceedings of the visual communications.Image Processing,San Jose,2006)。上述方法都是在編碼失真度量尺度為SSE的前提下獲取拉格朗日因子的,不適于計算失真測度SATD下的拉格朗日因子。因此在幀內(nèi)粗略模式判決中,建立合適的基于SATD的拉格朗日因子獲取方法是很有必要的。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種面向SATD的拉格朗日因子計算方法,該方法具有高的準確度和較低的編碼復(fù)雜度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是,一種面向SATD的拉格朗日因子計算方法,具體包括如下步驟:

步驟1,根據(jù)高碼率條件下熵受限標量量化的編碼器的率失真模型R(D):

推導(dǎo)出基于SSE的拉格朗日因子λmode

其中R表示碼率,D表示失真,δ2表示DCT域殘差的方差;

步驟2,哈達瑪變換具有能量集中的特性,主要將能量集中在二維矩陣的左上角,由于哈達瑪變換與DCT具有類似的特性,因此哈達瑪變換殘差也被描述為高斯分布:

其中x表示哈達瑪變換后的殘差,δh為哈達瑪變換后殘差的標準差;

在失真測度為SATD的情況下,得率失真模型:

則得面向SATD的拉格朗日因子λpre

本發(fā)明的特點還在于,

步驟2中公式(9)中參數(shù)δ的計算方法如下:

對于M×M大小的殘差塊系數(shù)r,經(jīng)DCT變換后得變換矩陣T:

其中A為DCT矩陣,則:

其中[·]u,u表示矩陣中位于(u,u)位置出的系數(shù)值,符號R'定義為:

參數(shù)ρ用于度量水平方向和垂直方向上像素值之間的相關(guān)性,其值設(shè)置為0.6;參數(shù)δp用于表示殘差塊內(nèi)像素的標準差,該值可通過平均絕對差值MAD近似:

步驟2中公式(9)中參數(shù)δh的計算方法如下:

哈達瑪變換域的預(yù)測殘差服從均值為零方差為δh2的高斯分布,則根據(jù)期望值E的定義,得:

同時得到:

則哈達瑪變換域的標準差δh

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:

(1)本發(fā)明從率失真理論的角度得到失真測度SATD下的拉格朗日因子λpre,具有高的準確度。

(2)本發(fā)明所提的拉格朗日因子計算方法,考慮了視頻內(nèi)容特性,進一步提高了編碼效率。

(3)本發(fā)明根據(jù)視頻編碼原理,得到參數(shù)δ和δh,具有高的準確度。

(4)本發(fā)明通過計算參數(shù)δ和δh來獲取拉格朗日因子λpre,具有較低的編碼復(fù)雜度,僅為現(xiàn)有算法的1%。

附圖說明

圖1是本發(fā)明面向SATD的拉格朗日因子計算方法流程圖;

圖2是測試序列為BQMall下本發(fā)明方法與HEVC現(xiàn)有算法的率失真性能比較圖;

圖3是測試序列為FourPeople下本發(fā)明方法與HEVC現(xiàn)有算法的率失真性能比較圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明面向SATD的拉格朗日因子計算方法,具體計算流程如圖1所示,

步驟1,計算參數(shù)δ:

對于M×M大小的殘差塊系數(shù)r,經(jīng)DCT變換后得變換矩陣T:

其中A為DCT矩陣,則:

其中[·]u,u表示矩陣中位于(u,u)位置出的系數(shù)值,符號R'定義為:

參數(shù)ρ用于度量水平方向和垂直方向上像素值之間的相關(guān)性,其值設(shè)置為0.6;參數(shù)δp用于表示殘差塊內(nèi)像素的標準差,該值可通過平均絕對差值MAD近似:

步驟2,計算參數(shù)δh

哈達瑪變換域的預(yù)測殘差服從均值為零方差為δh2的高斯分布,則根據(jù)期望值E的定義,得:

同時得到:

則哈達瑪變換域的標準差δh

步驟3,根據(jù)高碼率條件下熵受限標量量化的編碼器的率失真模型R(D):

推導(dǎo)出基于SSE的拉格朗日因子λmode

其中R表示碼率,D表示失真,δ2表示DCT域殘差的方差;

步驟4,哈達瑪變換具有能量集中的特性,主要將能量集中在二維矩陣的左上角,由于哈達瑪變換與DCT具有類似的特性,因此哈達瑪變換殘差也被描述為高斯分布:

其中x表示哈達瑪變換后的殘差,δh為哈達瑪變換后殘差的標準差;

在失真測度為SATD的情況下,得率失真模型:

則得面向SATD的拉格朗日因子λpre

將公式(13)和公式(16)帶入公式(9)中得到面向SATD的拉格朗日因子λpre。

本發(fā)明的效果通過實驗進一步說明。

實驗測試了不同分辨率,不同應(yīng)用場景下的HEVC幀內(nèi)編碼性能。圖2給出了測試序列為BQMall下本發(fā)明與HEVC現(xiàn)有算法的率失真性能比較圖。圖3給出了測試序列為FourPeople下本發(fā)明與HEVC現(xiàn)有算法的率失真性能比較圖。由圖2和3可以看出,在相同編碼比特率的條件下,本發(fā)明在解碼端恢復(fù)的視頻質(zhì)量峰值信噪比PSNR高于HEVC現(xiàn)有方法在解碼端恢復(fù)的視頻質(zhì)量的峰值信噪比PSNR。統(tǒng)計結(jié)果表明本發(fā)明在解碼端恢復(fù)的視頻質(zhì)量峰值信噪比PSNR比HEVC現(xiàn)有方法在解碼端恢復(fù)的視頻質(zhì)量峰值信噪比PSNR平均高出0.15dB。

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