基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，該方法包括以下步驟：1)獲取視頻序列中的待編碼幀和N個高效視頻編碼模式，并初始化待編碼幀中每個PU的概率信息；2)計算當前待編碼PU在每個編碼模式下對應的概率^，k＝1，2，...，N，并將N個編碼模式按其概率降序排列；3)應用最優(yōu)停止理論根據(jù)步驟2)的順序依次檢查各編碼模式，計算并獲得最佳編碼模式和最優(yōu)停止點；4)采用得到的最佳編碼模式對當前待編碼PU進行編碼，并根據(jù)當前最佳編碼模式和最優(yōu)停止點更新參數(shù)，直至整個視頻序列編碼完成。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明降低了HEVC在預測單元模式?jīng)Q定部分的計算量，提高編碼速度，促進其在實際中的廣泛應用。
【專利說明】基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及視頻壓縮編碼領域，尤其是涉及一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快 速編碼方法。

【背景技術】
[0002] 隨著高清視頻，甚至是超高清視頻的興起，大分辨率視頻的應用在市場上愈發(fā)普 及，并且廣受歡迎。超高清視頻的分辨率可以達到4Kx2K，甚至8Kx4K，這對視頻壓縮效率提 出了新的挑戰(zhàn)。目前廣泛使用的視頻壓縮編碼標準H. 264/AVC于1999年至2003年間初步 制定，并于2003年至2009年間又做了多次擴展和補充。迄今為止，H. 264/AVC標準已經(jīng)廣 泛應用于衛(wèi)星視頻廣播、有線電視、視頻會議、視頻聊天和安保監(jiān)控等眾多領域。然而，針對 目前新興的高清視頻領域，H. 264/AVC標準的壓縮效率和性能還不能很好地滿足要求。在 這種情況下，高效視頻編碼標準（High Efficiency Video Coding, HEVC)應運而生。
[0003] HEVC是ITU-T視頻編碼專家組（VCEG)和IS0/IEC運動圖像專家組（MPEG)組成 的聯(lián)合視頻編碼組（JCT-VC)制定的，旨在H. 264/AVC的基礎上進一步提高壓縮效率，并且 在相同視頻質量的情況下，達到2倍于H. 264/AVC的壓縮比。和H. 264/AVC相比，HEVC編 碼技術最大的不同在于其四叉樹結構。H. 264/AVC中的宏塊（MB)兼具預測和變換信息；在 HEVC中，基本的編碼單元是Coding Tree Unit (CTU)。CTU和MB的功能類似，但是CTU的預 測信息攜帶單位是PU (Prediction Unit)。針對每一個⑶(Coding Unit)，可進一步劃分為 4個子PU。在HEVC中，CU的大小可以是以下值：64義64、32132、16116、818。當對(^進行幀 間（Inter)預測時，PU 的大小可以為 2Nx2N、2NxN、Nx2N、NxN、2NxnU、2NxnD、nLx2N、nRx2N。 在這里，2Nx2N代表不進行子劃分的⑶大小，2NxN代表寬度為原⑶一半的PU，2NxnU中η 的大小為四分之一，各TO的大小如圖1所示；當對CU進行幀內(nèi)（Intra)預測時，PU的大小 可以是2Nx2N或NxN(對亮度分量，N=32、16、8、4)。相對于H. 264/AVC中最多有9種幀 內(nèi)預測方式（分別是垂直預測、水平預測、平均預測、左對角預測、右對角預測、垂直右對角 預測、水平向下預測、垂直左對角預測和水平向上預測），HEVC的幀內(nèi)預測方式最多可達35 種。當進行幀內(nèi)預測時，每個PU都需要在35種預測方式中選擇一種最佳模式進行預測編 碼。在HEVC中，采用RQT(Residual QuadTree)技術對預測產(chǎn)生的殘差進行量化；和PU類 似，HEVC采用TU(Transform Unit)對殘差進行基于四叉樹的量化和變換編碼。對于亮度 分量，TU的大小可以是32x32、16xl6、8x8和4x4 ;對于色度分量，其TU的長寬分別是對應亮 度分量TU長寬的二分之一。
[0004] 和H. 264/AVC相似，HEVC采用了基于拉格朗日率失真優(yōu)化策略RD0 (Rate Distortion Optimization)技術的模式選擇算法，即通過遍歷所有可能的模式，最后選擇 率失真代價最小的模式作為最佳編碼模式，公式為：
[0005] J(s,c,m|QP, λ m) = D (s, c, m | QP) + λ mR(s, c, m | QP)
[0006] 式中，QP是量化參數(shù)；λ m是拉格朗日常數(shù)，與QP有關；D是原始像素塊s與重建 塊c之間的失真；R是利用模式m進行編碼后產(chǎn)生的比特數(shù)。
[0007] 相比于H. 264/AVC中僅僅需要對MB進行所有模式的遍歷計算選擇，HEVC需要分別 對每一層的CU、PU和TU進行最優(yōu)選擇，選擇出最佳單元大小和模式進行編碼。因此，HEVC 中模式選擇的計算復雜度是巨大的，在移動設備和實時環(huán)境下很難應用HEVC進行高效編 碼。這就需要快速算法來縮短編碼時間以滿足實際需要，同時又要在一定范圍內(nèi)滿足視頻 質量的要求。
[0008] 最優(yōu)停止理論可以在某個適當?shù)狞c停止，從而避免遍歷待編碼CU的所有模式來 達到縮短編碼時間的目的。最優(yōu)停止理論問題可以歸結如下：存在一個聯(lián)合分布已知的隨 機變量的序列和一組實值獎勵函數(shù)，決策者按照順序一個個檢查這些變量，同時獲得相應 的獎勵函數(shù)值，并且在合適的時間停止檢查余下的變量，最終的目的是獲得的獎勵函數(shù)值 最大，這樣獲得最好的候選變量的概率也最大。通過把各種編碼模式當作上面提到的變量， 并且研究各種模式相互之間的關系，最優(yōu)停止理論就可以應用到模式?jīng)Q定的快速算法中。
[0009] Ferguson等又提出了名為持續(xù)問題的一種最優(yōu)停止問題，簡單敘述為：在決策 的過程中，如果某個變量比其他變量的觀測值更好，那么它便成為是一個Relative Best Object (RB0)。持續(xù)問題的目標是在遇到下一個RB0之前，找到一個適當?shù)臅r間停止觀測， 同時獲得觀測值最大的變量。持續(xù)問題的期望值越大，表明在停止點之后遇到下一個RB0 的時間越長，同時能夠節(jié)約的不必要時間也越多。換句話說，持續(xù)問題的解決方法在判定準 確性和時間減少比例上能夠很好地進行權衡，這點可以借鑒到視頻編碼的快速算法中，相 對應的是既要盡可能選擇到編碼的最佳模式，同時又要盡量減少編碼時間，這和持續(xù)問題 的目的很類似。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的計算量大、編碼速度慢等缺陷提 供一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，降低了 HEVC在預測單元模式?jīng)Q定部 分的計算量，提高編碼速度，促進其在實際中的廣泛應用。
[0011] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0012] 一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，該方法包括以下步驟：
[0013] 1)獲取視頻序列中的待編碼幀和N個高效視頻編碼模式，并初始化待編碼幀中每 個PU的概率信息；
[0014] 2)計算當前待編碼PU在每個編碼模式下對應的概率pk，k = 1，2, . . .，N，并將N 個編碼模式按其概率降序排列；
[0015] 3)應用最優(yōu)停止理論根據(jù)步驟2)的順序依次檢查各編碼模式，計算并獲得最佳 編碼模式和最優(yōu)停止點；
[0016] 4)采用得到的最佳編碼模式對當前待編碼PU進行編碼，并根據(jù)當前最佳編碼模 式和最優(yōu)停止點更新參數(shù)；
[0017] 5)返回步驟2)，直至當前待編碼幀的所有PU全部編碼完成；
[0018] 6)返回步驟1)，直至整個視頻序列編碼完成。
[0019] 所述的當前待編碼PU在每個編碼模式下對應的概率pk通過以下公式獲?。?br> [0020]

【權利要求】
1. 一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： 1) 獲取視頻序列中的待編碼幀和N個高效視頻編碼模式，并初始化待編碼幀中每個PU 的概率信息； 2) 計算當前待編碼PU在每個編碼模式下對應的概率pk，k = 1，2, . . .，N，并將N個編 碼模式按其概率降序排列； 3) 應用最優(yōu)停止理論根據(jù)步驟2)的順序依次檢查各編碼模式，計算并獲得最佳編碼 模式和最優(yōu)停止點； 4) 采用得到的最佳編碼模式對當前待編碼TO進行編碼，并根據(jù)當前最佳編碼模式和 最優(yōu)停止點更新參數(shù)； 5) 返回步驟2)，直至當前待編碼幀的所有PU全部編碼完成； 6) 返回步驟1)，直至整個視頻序列編碼完成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，其特征在 于，所述的當前待編碼PU在每個編碼模式下對應的概率p k通過以下公式獲?。?u(Ms,r) + T rml 其中，TU(MU，k)為當前待編碼PU的上方PU最佳編碼模式為Mu時，當前待編碼PU最佳 編碼模式為k的概率預測矩陣；1\ (Mp k)為當前待編碼PU的左方PU最佳編碼模式為吣時， 當前待編碼PU最佳編碼模式為k的概率預測矩陣。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，其特征在 于，所述的步驟3)具體為： 3. 1)依次檢查各候選模式，在第k個模式停止檢查，設在模式k后的下一個相對最佳目 標為Tk,則Tk = j的概率為： 取=Λ =汽美+| ；> 1，、重》 fmkU =Σρ,(ιτ-~) hPr r-i I 其中，j為自然數(shù)且j e (k，N]，Xr(r = k+l，k+2，...，j-l)表示第k+l、k+2 -直到第 j_l個模式在所有N個模式中被選為最佳模式的概率排名，P (X」=1)表示第j個模式是N 個模式中的最佳模式的概率； Tk的位置由下式得到 m) = (N + l)· P(Tk =N .pg·^ = j，屠爭I =Λ+Σ^Στ^~ ?1 Μ Λ 廣 若E(Tk)大于設定的閾值τ，τ e [Ν，Ν+1)，則當前的第k個模式為最佳編碼模式； 3. 2)計算最優(yōu)停止點K# : K* = max{Ka, K0} 式中 = mk {* > 1 ； I； Λ I； > r ^ w r*3 A, = rnin{/：>l：A+i2^i?^lK J相言 Mr f r*l
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種基于最優(yōu)停止理論的高效視頻快速編碼方法，其特征 在于，所述的更新參數(shù)是指根據(jù)當前的編碼模式對各概率預測矩陣進行更新，更新公式如 下： (M, k) = T(M, k) · (l-y)+pm · y 其中，T(M，k)為更新前的概率預測矩陣，Τ' (M，k)為更新后的概率預測矩陣，γ為更 新參數(shù)，Pm表示在已編碼PU的最佳模式為j，且滿足j < K#的前提下，模式m成為最佳模式 的后驗概率，由以下公式計算得到： 'κ. · YdPr,m = j rm\ pm /1 ^ pm,otherwise
【文檔編號】H04N19/147GK104301723SQ201310297983
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權日:2013年7月16日
【發(fā)明者】王瀚漓, 衡岳 申請人:同濟大學