本發(fā)明涉及圖像通信領(lǐng)域中的視頻編碼，最主要的是降低碼率技術(shù)問題，涉及新一代高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC的幀內(nèi)降低碼率算法。

背景技術(shù)：

隨著日常生活中多媒體視頻變得越來越高清，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提升，由現(xiàn)在主流的H.264/AVC到目前最新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC，實(shí)現(xiàn)了更高的編碼效率和更好的視頻質(zhì)量。在相同的視頻質(zhì)量下，HEVC相比H.264提升了50％的編碼效率。HEVC支持更高的視頻分辨率，使我們能觀看到更高質(zhì)量的3D藍(lán)光，4K電視和高清電視。

雖然HEVC相比H.264降低了50％的碼率，但高清視頻就意味著高碼率的數(shù)據(jù)量，進(jìn)一步降低碼率依然是我們研究的主要方向。在HEVC視頻編碼過程中，幀內(nèi)預(yù)測相比幀間預(yù)測需要更高的碼率，因此本發(fā)明主要研究了幀內(nèi)預(yù)測降低碼率的問題。

在HEVC幀內(nèi)預(yù)測過程中，有33種角度預(yù)測，及平面預(yù)測和直流預(yù)測，共35種預(yù)測模式。參考樣本像素由鄰域已重建樣本產(chǎn)生，重建樣本包括左邊，左下，左上，上邊，右上塊。編碼單元CU通過預(yù)測單元PU來預(yù)測，PU的大小從4×4到64×64。參考樣本通過35種預(yù)測模式算出PU預(yù)測值，因而我們改善參考樣本的值有助于提高預(yù)測值的準(zhǔn)確性，從而減小殘差值，提高編碼效率。

目前已有一些論文對降低碼率做了相關(guān)的工作。Li Song等針對H.264提出了一種基于像素空間交錯(cuò)采樣的幀內(nèi)無損編碼算法，通過對鄰域重建像素值的交錯(cuò)下采，降低了4.13％的碼率。S.Kanimozhi等對H.264追加了三種預(yù)測模式，分別是垂直，水平和均值模式，降低了約4％的碼率。W.Shi等在HEVC上追加了3種編碼模式，分別是垂直，水平和對角模式，平均降低了約8％的碼率。W.Shi等在之前的基礎(chǔ)上，追加了2種模式，分別是簡化均值模式和均值模式，平均降低了18.43％的碼率，同時(shí)增加了8.37％的編碼時(shí)間。本發(fā)明在W.Shi等的基礎(chǔ)上，改變了預(yù)測方式和步驟，平均降低了約26.97％的編碼效率，而僅增加了10.17％的編碼時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC碼率依舊較高，可以進(jìn)一步研究降低碼率的問題，本發(fā)明提出了一種基于HEVC幀內(nèi)交錯(cuò)預(yù)測的降碼率算法，該算法通過增加幾種幀內(nèi)預(yù)測模式，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性，從而減小殘差，在低碼率端有效地降低了碼率。

本發(fā)明的基本思想是利用I幀相鄰點(diǎn)之間的空域相關(guān)性，我們知道標(biāo)準(zhǔn)HEVC是用當(dāng)前PU周邊的點(diǎn)作為參考樣本來預(yù)測，而本發(fā)明還利用了當(dāng)前PU內(nèi)部的點(diǎn)作為參考樣本來預(yù)測，減小了參考樣本和預(yù)測點(diǎn)之間的距離，從而提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明提供的基于HEVC幀內(nèi)交錯(cuò)預(yù)測的降碼率算法，該算法主要包括下采樣得到參考樣點(diǎn)，追加5種PU預(yù)測模式，及最近鄰像素填充邊界。在下采樣得到參考樣點(diǎn)中，我們對當(dāng)前PU進(jìn)行四分之一交錯(cuò)下采，并求出下采的四分之一樣點(diǎn)重建后的值。在追加5種PU預(yù)測模式中，我們用得到的四分之一樣點(diǎn)重建后的值對其它四分之三樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。在最近鄰像素填充邊界中，我們對不存在的樣點(diǎn)值用其鄰近存在的點(diǎn)對該樣點(diǎn)賦值。具體主要包括以下過程步驟：

(1)對CU深度進(jìn)行判斷，只做深度層0，1，2，不做深度層3。

(2)在亮度預(yù)測部分，在最佳模式選擇RMD過程中，對CU進(jìn)行交錯(cuò)下采樣。

(3)只進(jìn)行當(dāng)前深度預(yù)測，跳過全深度PU劃分，跳過色度預(yù)測。

(4)計(jì)算各深度的Rd cost，求出PU的最佳劃分，得到重建值。

(5)對CU的重建值進(jìn)行交錯(cuò)下采樣，得到參考樣點(diǎn)D1值。

(6)將CU塊大小重置為64×64，再做一次PU預(yù)測過程。

(7)PU寬度大于4時(shí)，進(jìn)行19種原HEVC幀內(nèi)模式和5種追加模式預(yù)測。

(8)只進(jìn)行當(dāng)前深度預(yù)測，跳過全深度PU劃分。

(9)PU寬度等于4時(shí)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的HEVC編碼。

(10)比較Rd cost，決定最優(yōu)劃分。

(11)結(jié)束。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，在步驟(1)中，對CU深度進(jìn)行判斷，如果CU深度小于3則進(jìn)行本發(fā)明的亮度預(yù)測，如果深度大于3則跳過亮度預(yù)測。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，在做完步驟(2)的亮度預(yù)測過程后，跳過色度預(yù)測。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，在步驟(7)中，HEVC標(biāo)準(zhǔn)35種預(yù)測模式只選擇其中的19種(分別是模式0，1，2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，34)。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，追加的5種模式是利用下采的參考樣點(diǎn)來預(yù)測。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，追加的5種模式分別為簡化均值模式，均值模式，水平模式，垂直模式和對角模式。其公式為

在簡化均值模式中，

D4[i][j]＝(D1[i][j]+D1[i+1][j]+D1[i][j+1]+D1[i+1][j+1])>>2； (1)

D3[i][j]＝(D1[i][j]+D1[i][j+1]+D4[i][j]+D4[i-1][j])>>2； (2)

D2[i][j]＝(D1[i][j]+D1[i+1][j]+D4[i][j]+D4[i][j-1]+D3[i][j]+D3[i+1][j]+D3[i][j-1]+

D3[i+1][j-1])>>3； (3)

在均值模式中，

D4[i][j]＝((-4)*D1[i-1][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i+1][j+1]+(-4)*D1[i+2][j+2]-4*D1

[i+2][j-1]+36*D1[i+1][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i-1][j+2])>>7； (4)

D3[i][j]＝((-4)*D1[i][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i][j+2]-4*D1[i-2][j]+

36*D1[i-1][j]+36*D1[i][j]-4*D1[i+1][j])>>7； (5)

D2[i][j]＝((-4)*D3[i-1][j+1]+36*D3[i][j]+36*D3[i+1][j-1]-4*D3[i+2][j-2]-4*D3[i-1][j-2]

+36*D3[i][j-1]+36*D3[i+1][j]-4*D3[i+2][j+1]-4*D4[i][j-2]+36*D4[i][j-1]+

36*D4[i][j]-4*D4[i][j+1]-4*D4[i-1][j]+36*D4[i][j]+36*D4[i+1][j]-4*D4

[i+2][j])>>8； (6)

在水平模式中，

D2[i][j]＝((-4)*D1[i-1][j]+36*D1[i][j]+36*D1[i+1][j]-4*D1[i+2][j])>>6； (7)

D4[i][j]＝((-4)*D1[i-1][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i+1][j+1]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i-1][j+2]

-4*D1[i+2][j+2]-4*D1[i+2][j-1]+36*D1[i+1][j])>>7； (8)

D3[i][j]＝((-4)*D4[i-2][j]+36*D4[i-1][j]+36*D4[i][j]-4*D4[i+1][j])>>6； (9)

在垂直模式中，

D3[i][j]＝((-4)*D1[i][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i][j+2])>>6； (10)

D4[i][j]＝((-4)*D1[i-1][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i+1][j+1]-4*D1[i+2][j+2]-4*D1

[i+2][j-1]+36*D1[i+1][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i-1][j+2])>>7； (11)

D2[i][j]＝((-4)*D4[i][j-2]+36*D4[i][j-1]+36*D4[i][j]-4*D4[i][j+1])>>6；(12)

在對角模式中，

D4[i][j]＝((-4)*D1[i-1][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i+1][j+1]-4*D1[i+2][j+2]-4*D1

[i+2][j-1]+36*D1[i+1][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i-1][j+2])>>7； (13)

D3[i][j]＝((-4)*D1[i][j-1]+36*D1[i][j]+36*D1[i][j+1]-4*D1[i][j+2]-4*D4[i-2][j]+

36*D4[i-1][j]+36*D4[i][j]-4*D4[i+1][j])>>7； (14)

D2[i][j]＝((-4)*D3[i-1][j+1]+36*D3[i][j]+36*D3[i+1][j-1]-4*D3[i+2][j-2])>>6； (15)

在上述(1)-(15)的公式中，D1為四分之一下采樣的參考樣點(diǎn)，D2，D3，D4為其它四分之三的下采樣點(diǎn)。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，最鄰近像素填充邊界為，對于不存在的樣點(diǎn)值用其鄰近存在的點(diǎn)對該樣點(diǎn)賦值，可以用右邊的點(diǎn)對左邊的點(diǎn)賦值，下邊的點(diǎn)對上邊的點(diǎn)賦值。

根據(jù)本發(fā)明的上述方法可以編制執(zhí)行上述基于HEVC幀內(nèi)交錯(cuò)預(yù)測的降碼率算法的HEVC視頻編碼器。

與標(biāo)準(zhǔn)的HEVC視頻編碼方法相比，本發(fā)明針對HEVC的幀內(nèi)編碼提出的交錯(cuò)預(yù)測算法，能有效降低碼率。該算法在HEVC幀內(nèi)預(yù)測CU的劃分過程中，對CU進(jìn)行四分之一交錯(cuò)采樣，然后用重建的采樣點(diǎn)作為參考樣點(diǎn)對其它四分之三的點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。本發(fā)明提出的方法減小了預(yù)測距離，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確率，隨之減小了殘差，降低了碼率，減小了算法的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于HEVC幀內(nèi)交錯(cuò)預(yù)測的降碼率算法的流程圖。

圖2為本發(fā)明交錯(cuò)下采樣圖示，左邊的8×8大小的CU塊，經(jīng)過交錯(cuò)下采后得到4個(gè)子CU塊，分別是D1，D2，D3，D4塊。

圖3為本發(fā)明方法參考樣點(diǎn)的變化，左邊是標(biāo)準(zhǔn)HEVC的PU參考樣本圖示，右邊是本發(fā)明的PU參考樣本圖示。從圖中可以看出，本發(fā)明增加了當(dāng)前PU鄰域的點(diǎn)作為參考樣本。

圖4為本發(fā)明最鄰近像素填充圖，當(dāng)我們有A-G像素的值，但是沒有1-16像素的值，就可以用A-G像素的值賦值1-16像素點(diǎn)。水平方向上，P1＝A,P9＝P1,P2＝B,P10＝P2,這樣我們可以依次得到1-4，9-12點(diǎn)的值。同理，垂直方向上，P5＝A,P13＝P5,P6＝E,P14＝P6,這樣我們可以依次得到5-8,13-16點(diǎn)的值。

圖5～圖8為本發(fā)明方法與標(biāo)準(zhǔn)HM16.0對比的率失真曲線圖，其中帶圓圈的線表示本發(fā)明的效果，帶三角形的線表示標(biāo)準(zhǔn)HM16.0的效果。其中，圖5為NebutaFestival(2560×1600)的率失真曲線圖，圖6為PeopleOnStreet(2560×1600)的率失真曲線圖，圖7為ParkScene(1920×1080)的率失真曲線圖，圖8為Cactus(1920×1080)的率失真曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，有必要指出的是，以下的實(shí)施例只用于對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)熟悉人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容，對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整進(jìn)行具體實(shí)施，應(yīng)仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明所提出的基于HEVC幀內(nèi)交錯(cuò)預(yù)測的降碼率算法，與HEVC標(biāo)準(zhǔn)參考代碼HM16.0的幀內(nèi)編碼方法比較過程如下：

1、打開標(biāo)準(zhǔn)HM16.0參考代碼，配置文件為encoder_intra_main.cfg。量化QP為22，27，32，37。實(shí)驗(yàn)結(jié)果取4個(gè)QP的平均值。

2、這里我們定義變量Δbitrate，ΔPSNR，Δtime，其中Δbitrate表示改進(jìn)算法的比特率變化，比特率表示壓縮率，ΔPSNR是指改進(jìn)算法PSNR的變化，Δtime表示改進(jìn)算法的算法復(fù)雜度的變化。計(jì)算公式分別如下所示。

Δbitrate＝(bitrate(改進(jìn))-bitrate(標(biāo)準(zhǔn)))/bitrate(標(biāo)準(zhǔn))×100％ (16)

ΔPSNR＝PSNR(改進(jìn))-PSNR(標(biāo)準(zhǔn)) (17)

Δtime＝(time(改進(jìn))-time(標(biāo)準(zhǔn)))/time(標(biāo)準(zhǔn))×100％ (18)

3、編碼的對象為標(biāo)準(zhǔn)的HEVC測試視頻，它們的名稱、分辨率分別為：NebutaFestival(2560×1600)、PeopleOnStreet(2560×1600)、Cactus(1920×1080)、ParkScene(1920×1080)、FourPeople(1280×720)、Johnny(1280×720)、BasketballDrill(832×480)、Keiba(832×480)、Flowervase(416×240)、BlowingBubbles(416×240)。

4、輸入2個(gè)相同的視頻序列；

5、分別對2個(gè)相同的視頻序列進(jìn)行視頻編碼；

6、利用HM16.0標(biāo)準(zhǔn)方法對視頻序列在HEVC方式下進(jìn)行視頻編碼；

7、利用本發(fā)明方法對視頻序列在HEVC方式下進(jìn)行視頻編碼；

8、結(jié)果如表1所示，分別對分辨率從2560×1600大小到416×240大小的共10個(gè)視頻序列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來比較HM16.0標(biāo)準(zhǔn)算法和改進(jìn)的算法的相關(guān)參數(shù)。我們分別分析了(16)、(17)、(18)公式的參數(shù)，結(jié)果顯示改進(jìn)算法平均能降低26.97％的比特率，而僅降低了0.526的PSNR值和增加了10.17％的編碼時(shí)間。

9、從表1可以看出，我們的改進(jìn)算法對大部分序列效果都較好，總的來說，高分辨率的序列效果要比低分辨率好一些。而最好的序列ParkScene可以看到已經(jīng)達(dá)到48％的比特率節(jié)省，NebutaFestival序列也達(dá)到了34％的比特率下降。

表1本發(fā)明方法與標(biāo)準(zhǔn)HM16.0對比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果