本發(fā)明屬于視頻編碼領(lǐng)域，涉及一種在HEVC標準視頻編碼中，通過檢測場景切換幀實現(xiàn)快速預(yù)測模式選擇的方法。

背景技術(shù)：

最新的視頻編解碼標準HEVC(High Efficiency Video Coding)由于采用了諸多新技術(shù)，獲得了兩倍于之前的H.264及MPEG-4等編碼標準的壓縮效率。但是，這些新技術(shù)在高分辨率視頻編碼中獲得更好編碼質(zhì)量的同時，也使得HEVC的編碼復(fù)雜度大大提升。為了能夠降低編碼開銷，減少編碼時間，適應(yīng)編碼應(yīng)用的需求，各種關(guān)于HEVC的快速編碼算法被不斷提出。

HEVC最為鮮明的特點是采用了四叉樹結(jié)構(gòu)，不同于之前較為簡單的16×16固定尺寸的宏塊編碼單元，HEVC采用了四層編碼結(jié)構(gòu)。亮度單元從第0層到第3層分別對應(yīng)編碼尺寸64×64、32×32、16×16和8×8。同時，HEVC還引進了CU、PU和TU相結(jié)合的概念，在不同層次上充分考慮各種可能的編碼開銷，其基本過程是：首先將一幀圖像劃分為不同的CU單元，在進行預(yù)測編碼時對每一個CU又根據(jù)其具體特征劃分為若干PU單元，在進行變換編碼時又根據(jù)CU塊的具體特性將每個CU塊劃分為若干個TU單元，最終從中選取最佳編碼模式和參數(shù)。

關(guān)于其中的預(yù)測模式選擇部分，即主要涉及PU的劃分，以HEVC的標準參考軟件HM16.0為例，對于非幀內(nèi)預(yù)測幀來說，都要遍歷比較SKIP模式、8種幀間預(yù)測模式和2種幀內(nèi)預(yù)測模式。這種比較采用率失真代價函數(shù)作為衡量手段。為了獲得率失真代價函數(shù)，對于每一種候選模式都需要進行一系列的運算處理。而這些處理，特別是幀間模式的運動估計模塊是特別耗時的。如果能夠根據(jù)CU塊表現(xiàn)出來的某些特性，盡可能地減少PU候選模式，那么就能少進行一些模塊的處理，從而節(jié)省預(yù)測編碼時間。

目前基于此類考慮的快速模式選擇算法已經(jīng)很多，比如有很多圖像相似度檢測的算法，有基于圖像直方圖對比、有PSNR分析和特征點匹配。此類算法雖然比較精準，對于各種變換適用性較強，如旋轉(zhuǎn)不變性和灰度變化等。但是普遍比較耗時，且一般的視頻中不會出現(xiàn)這些復(fù)雜的情形。對于實時性要求較高的視頻編碼應(yīng)用場景，簡單高效的檢測方法更加切合實際。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述快速模式選擇算法存在的算法復(fù)雜、耗時的缺陷，在編碼視頻中當存在一定場景切換時，通過快速檢測場景切換幀(非連續(xù)幀)的實現(xiàn)對切換幀編碼的快速模式選擇，以提高編碼的處理效率。

為此，本發(fā)明提出一種基于場景切換的HEVC預(yù)測模式快速選擇方法，技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟A：在讀取輸入YUV文件時，記錄每一幀圖像的亮度分量構(gòu)成灰度圖像；

步驟B：利用插值法將每一幀灰度圖像都壓縮成M×M格式的索引圖；

步驟C：對于每一幀圖像的索引圖，都采取如下操作：

(1)計算這M×M個灰度值的平均值V_average；

(2)將每個灰度值和V_average進行比較，大于平均值的標記為“1”，小于等于平均值的標記為“0”，如此可獲得每幀圖像的M×M位長度的二進制指紋序列；

步驟D：對于前后兩幀圖像，對比它們的指紋序列，統(tǒng)計相應(yīng)位置二進制值不同的個數(shù)，記為這兩幀圖像的dNum；

步驟E：計算前后相鄰兩個dNum的差值，后值減去前值，作為哈希指數(shù)；

步驟F：對于哈希指數(shù)大于閾值T的當前幀圖像，將其判定為場景切換幀，在設(shè)置幀類型時將其置為I幀，在之后的預(yù)測編碼過程中可以直接按I幀進行預(yù)測編碼，否則不做任何操作，在預(yù)測編碼時依然遍歷所有模式。

作為優(yōu)選，步驟B中的插值法為雙線性插值法。

作為優(yōu)選，步驟B中M的值為8，這個索引圖大小可以調(diào)整，效果大致相同，但卻增加了計算量。

步驟F中閾值T的取值范圍為9～13。大量實驗證明取值為10的效果最佳，可以上下浮動1～3。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1，對于視頻中的場景切換幀可以進行快速的檢測。在標準編碼軟件中進行植入額外占用的時間幾乎可以忽略。實驗顯示，即使是在場景切換較少的視頻中，只要平均每15s發(fā)生一次切換，總編碼時間都不會增加。而這一條件對于實際應(yīng)用中大多數(shù)視頻都是可以達到。當然，也可以和其他加速算法一樣，在HEVC標準參考軟件HM的cfg配置文件中設(shè)置一個開關(guān)，在相關(guān)應(yīng)用場合中開啟使用。

2，對于視頻中的場景切換幀可以進行有效的檢測。大量不同參數(shù)的視頻序列實驗都顯示，該算法可以獲得95％以上的檢測準確率。采用Hash Index之后，對于不同運動特性的視頻都有很好的適用性，誤檢和漏檢的概率都很小。同時，對于科幻電影預(yù)告片之類的場景切換特別頻繁的視頻序列，加速效果相當明顯。

3，該算法不會影響其他相關(guān)優(yōu)化加速算法，只是為場景切換幀提供一條捷徑提前完成正確的編碼，不會改變編碼質(zhì)量。與現(xiàn)有的HEVC快速預(yù)測算法不重疊，可以共同使用，沒有限制條件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步詳細的說明。

本發(fā)明基于視頻預(yù)測編碼中這樣一個規(guī)律，即對于非幀內(nèi)預(yù)測編碼單元，會根據(jù)當前編碼單元與之前編碼單元的關(guān)聯(lián)程度選擇預(yù)測編碼模式；但是，如果當前編碼單元與之前編碼單元都沒有聯(lián)系，那么經(jīng)過遍歷最終一定會選擇幀內(nèi)模式作為最佳編碼模式。因而對于這樣的編碼單元,可以考慮跳過大多數(shù)遍歷過程，直接在幀內(nèi)模式中選擇最佳編碼模式。從而減少大量的選擇計算處理，提高了編碼效率。典型的場景切換幀就是這樣一類編碼單元的集合。場景切換幀發(fā)生在兩個場景的連接處(即拍攝畫面的非連續(xù)移動)，前后單元的編碼基本不存在關(guān)聯(lián)性，即無參考性。因此，如果能夠在視頻中準確地檢測出場景切換幀，那么對于這些幀的預(yù)測編碼就可以大大簡化，這些幀的預(yù)測編碼時間也可以大大縮短。本發(fā)明的核心思想就在于如何快速準確地檢測出場景切換幀，進而結(jié)合到快速預(yù)測模式選擇之中。

本發(fā)明主要針對均值哈希(aHash)算法進行了改進，使之能夠適應(yīng)視頻中場景切換檢測的應(yīng)用環(huán)境?；诰礖ash算法的圖像相似度檢測已經(jīng)被應(yīng)用在了很多場合，如Google的圖片搜索。但是，在視頻中的場景切換的檢測有所不同。對于不同運動劇烈程度的連續(xù)視頻片段，幀之間的差異性有所不同。實驗表明，有些運動劇烈的視頻片段中的相鄰連續(xù)幀的差異度已經(jīng)超過了一些場景切換情形下的差異度。因而，在視頻場景切換檢測中，需要類似前后運動劇烈差異度比較的概念來區(qū)分是否發(fā)生場景切換，也就是需要類似二次差分的概念。

實驗數(shù)據(jù)證明這個索引圖M×M的大小可以調(diào)整，效果大致相同，但是增加計算量。取8*8大小時，對于已經(jīng)驗證的QCIF格式(176*144)到1080P格式(1920*1080)范圍的視頻序列都可以獲得很好的效果，可以更好地適應(yīng)實時編碼的需求。

其中閾值T取值10的獲取是通過大量實驗數(shù)據(jù)獲得的。如表1給出的是在大量標準序列獲得的實驗結(jié)果中統(tǒng)計出來的普通連續(xù)幀和切換幀的Hash Index不同區(qū)間的百分比。

表1連續(xù)幀和切換幀中的不同Hash Index值百分比

從表中可以看出，取閾值為10可以獲得很高的檢測準確度。從而驗證了本方法的可靠性。

關(guān)于本發(fā)明相比于HEVC編碼原參考軟件在實際應(yīng)用中取得的提升，通過實驗數(shù)據(jù)和理論計算大致獲得如下。

大量實驗數(shù)據(jù)表明，以I幀方式編碼的切換幀的編碼時間(T_sf)通常是作為非I幀方式編碼的普通連續(xù)幀編碼時間(T_nf)的6～14倍，將該值記為M，即

T_sf＝T_nfM (1)

實驗顯示，本發(fā)明方法能夠?qū)⑶袚Q幀的總時間降低為原來的N倍(通常為47％～58％)。

定義切換率(SR)為視頻中切換幀數(shù)量(Num_sf)與視頻總幀數(shù)(Num_tf)的比，即：

SR＝Num_sf/Num_tf (2)

那么，對于同一視頻序列，未采用本方法的編碼總時間(T_ref)可以如下計算

T_ref＝T_nfNum_nf+T_sfNum_sf (3)

其中Num_nf表示普通連續(xù)幀的幀數(shù)，且

Num_nf＝Num_tf-Num_sf (4)

采用本方法后的編碼總時間(T_pro)為

T_pro＝T_nfNum_nf+T_sfNum_sfN (5)

減少的編碼時間(T_decrease)為

T_decrease＝T_ref-T_pro＝(1-N)Num_sfT_sf (6)

時間節(jié)省率(TS)為

將(1)～(6)式代入(7)可計算得：

取切換率SR＝3％，M＝10，N＝50％，整個視頻序列的理論提速率TS＝11.81％。

大量實驗結(jié)果顯示，實際提速率與理論值很接近，考慮到本方法檢測本身的時間消耗，實際值都會比理論值小一些。以接近上述SR特性的視頻序列進行實驗可得，TS通常為7％左右。

本發(fā)明由于只是對場景切換幀進行了提速改進，沒有進行普通幀的快速模式選擇處理，因而與大多數(shù)快速模式選擇方法都可以同時使用，獲得比兩者單獨使用更高的提速率。本發(fā)明采用了較新的幾個HM版本中采納的三個加速開關(guān)進行進一步實驗。這三個加速開關(guān)分別為：CFM、ECU和ESD。實驗數(shù)據(jù)顯示，一般情況下，打開這三個加速開關(guān)，可將編碼時間降低為原來的30％～60％。由于編碼總時間((7)式中的T_ref)大幅減少，因而采用本方法后的提速率(TS)更高。

在打開這三個加速開關(guān)的基礎(chǔ)上，對比是否采用本發(fā)明方法的兩種情形，實際獲得的進一步提速率為9％左右。

因而，將本發(fā)明方法疊加于其他大多數(shù)快速模式選擇算法，可以獲得更大的提速率。

需要說明的是，以上所述數(shù)據(jù)僅為本發(fā)明的一個具體實施例所得，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。