一種高性能視頻編碼無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損模式的殘差變換方法，該方法包括：若當前編碼單元為水平或垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測模式，則利用當前殘差ri,j左側(cè)或上端的K個殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)αi,j，預(yù)測所述當前殘差ri,j；利用所述當前殘差ri,j與其預(yù)測值之間的差值ai,j代替所述當前殘差ri,j進行熵編碼；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，同時可無失真地保持視頻內(nèi)容。
【專利說明】一種高性能視頻編碼無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損模式的殘差變換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于視頻等多媒體通信的需求也越來越高。然而，視頻的數(shù)據(jù)量巨大，未經(jīng)過編碼壓縮的視頻數(shù)據(jù)基本無法在現(xiàn)有信道中傳輸。為了滿足上面的各種要求，國際上先后提出了各種視頻編碼方案。從上個世紀九十年代以來，ITU (國際電信聯(lián)盟)和ISO (國際標準化組織)聯(lián)合制定了一系列關(guān)于視頻壓縮編解碼的國際標準和建議，其中，ITU提出的H.26X系列視頻壓縮標準和IS0/IEC JTC推出的MPEG (動態(tài)圖像專家組)系列國際標準影響最大。2013年I月，視頻編碼標準化組織 JCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding,視頻編碼聯(lián)合組)正式發(fā)布最
新一代視頻編碼國際標準-HEVC (High Efficiency Video Coding,高性能視頻標準)。
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準H.264/AVC的50%。
[0003]在編碼基本框架上，HEVC和先前的H.264/AVC標準類似，依然采用混合編碼模式。整個編碼過程主要分為:預(yù)測、變換、量化、環(huán)路濾波、熵編碼五步。預(yù)測部分分為幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測。幀內(nèi)預(yù)測利用當前幀已重建像素作為參考像素進行預(yù)測，幀間預(yù)測利用前面或后面幀重建的像素值作為參考進行預(yù)測。預(yù)測完成后，將所得的預(yù)測值與當前塊相減，進而得到殘差，殘差經(jīng)過變換量化得到變換系數(shù)，最后將變換系數(shù)經(jīng)過熵編碼而得到最后的碼流。無論是幀間預(yù)測，還是幀內(nèi)預(yù)測都需要用到重建圖像的信息，因而在編碼過程中，還需要將編碼的殘差系數(shù)進行反量化反變換，得到其殘差圖像，再將該殘差圖像與預(yù)測值相加，最后經(jīng)過一個環(huán)路濾波濾除視頻圖像中的噪聲。
[0004]在HEVC標準中，存在有損壓縮和無損壓縮兩大類編碼模式。對于互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)拇蟛糠忠曨l，進行適當?shù)挠袚p失壓縮可以很好地降低碼率，從而提高傳輸?shù)男?。而對于醫(yī)學(xué)視頻、遙感視頻、指紋等領(lǐng)域，無損壓縮也存在很廣泛的應(yīng)用。HEVC標準的主流應(yīng)用為有損壓縮，其標準的制定也主要為有損壓縮編碼而服務(wù)。在HEVC標準中，無損壓縮作為有損壓縮的擴展部分存在。因而，在HEVC有損壓縮標準之上，再開發(fā)一套全新的編碼工具來獲得盡可能好的無損編碼效率已經(jīng)不切實際。因此，在進行HEVC無損編碼方案設(shè)計時，我們應(yīng)遵循這樣的設(shè)計原則:盡可能地利用已有的HEVC有損編碼結(jié)構(gòu)，提出的無損編碼方案對原始的有損編碼結(jié)構(gòu)改動盡可能小，以滿足該標準的通用性和硬件實現(xiàn)的兼容性，同時考慮編碼效率和復(fù)雜度的平衡。
[0005]在HEVC標準中，由于量化存在量化失真，且其對殘差的變換過程與量化結(jié)合在一起進行，因而其變換過程也存在失真。為了保持原有的有損壓縮編碼框架，HEVC標準的無損壓縮編碼直接將變換量化過程跳過。另外，由于編碼前后像素?zé)o失真，因而不需要進行環(huán)路濾波，HEVC無損壓縮編碼也跳過了環(huán)路濾波過程。換言之，在目前HEVC無損壓縮實現(xiàn)中，僅是將變換、量化、環(huán)路濾波三部分跳過，以保持重建視頻圖像和原始編碼視頻圖像的無失真。雖然，簡單跳過變換、量化、環(huán)路濾波三個過程對原有的編碼框架改動小，易于實現(xiàn)，但是其編碼效率相對較低，無法滿足實際應(yīng)用需求。對此，已經(jīng)有很多相關(guān)的研究提出了對無損編碼性能進行提高的方法，下面將簡略介紹幾個主要方案及其優(yōu)劣。
[0006]I)針對水平/垂直方向幀內(nèi)預(yù)測的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標準中的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)測后亮度或色度分量的殘差矩陣。當幀內(nèi)預(yù)測的模式為垂直方向時(如圖1a所示)，對殘差矩陣進行如式I所示相減，以獲得到矩陣/?(元素為I)。當幀內(nèi)預(yù)測的模式為水平方向時(如圖1b所示)，對殘差矩陣進行如式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損模式的殘差變換方法，其特征在于，該方法包括: 若當前編碼單元為水平或垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測模式，則利用當前殘差左側(cè)或上端的K個殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)a u，預(yù)測所述當前殘差η； 利用所述當前殘差ru與其預(yù)測值之間的差值a。代替所述當前殘差ru進行熵編碼； 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)測所述當前殘差ru包括: 若當前編碼單元為水平方向的幀內(nèi)預(yù)測模式，則利用當前殘差左側(cè)的K個殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)(^j,預(yù)測所述當前殘差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: 對所述當前殘差左側(cè)2K+1個殘差的關(guān)系進行訓(xùn)練預(yù)測，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: 犾了頁測式子
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，預(yù)測所述當前殘差ru包括: 若當前編碼單元為垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測模式，則利用當前殘差上端的K個殘差作為參考并結(jié)合系數(shù)(^j,預(yù)測所述當前殘差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: 對所述當前殘差左側(cè)2K+1個殘差的關(guān)系進行訓(xùn)練預(yù)測，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)測模式作為水平方向的幀內(nèi)預(yù)測模式； 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)測模式作為垂直方向的幀內(nèi)預(yù)測模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于， 若當前編碼單元幀內(nèi)預(yù)測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任一項所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 根據(jù)當前編碼單元幀內(nèi)預(yù)測模式的方向，選擇對應(yīng)的反變換方法進行無失真的解碼。
【文檔編號】H04N19/593GK103634608SQ201310648456
【公開日】2014年3月12日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)