劉梅鋒，鐘國(guó)韻，徐洪珍，吳有用

（東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000）

現(xiàn)有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（包括動(dòng)態(tài)圖像專家組第四版本（MPEG-4）、國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)/高級(jí)視頻編碼（H.264/AVC）[1]和音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（AVS）等）對(duì)于標(biāo)清（720×576）及其以下規(guī)格的視頻，有著較好的視頻編碼性能。但是，對(duì)于高清（1 280×720）以上分辨率的視頻編碼，其性能還遠(yuǎn)未達(dá)到市場(chǎng)應(yīng)用的需求[2]。目前正在制定的新一代國(guó)際視頻標(biāo)準(zhǔn)，即高性能視頻編碼（HEVC）標(biāo)準(zhǔn)[3-5]，其目標(biāo)是在保持H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上，使比特率降低一半，即壓縮率提高一倍。經(jīng)過近兩年的發(fā)展和研究者的努力，目前在HEVC的初步框架下，其壓縮率較H.264已有一定程度的提升，但是其視頻編碼計(jì)算復(fù)雜度為H.264/AVC的4~5倍。

相比以前的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，HEVC主要是采用3種新編碼技術(shù)：編碼單元（CU）、預(yù)測(cè)單元（PU）和變換單元（TU）。HEVC采用了4個(gè)深度的CU和8種不同的PU預(yù)測(cè)模式，各種CU深度和PU模式的組合下均要進(jìn)行率—失真代價(jià)計(jì)算，因此，HEVC視頻編碼具有很高的編碼計(jì)算復(fù)雜度。于是，若要實(shí)現(xiàn)HEVC的實(shí)時(shí)應(yīng)用，則必需降低其編碼的計(jì)算復(fù)雜度。針對(duì)H.264/AVC，近些年國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)提出了一些快速模式判決的方法。文獻(xiàn)[6]提出利用先驗(yàn)預(yù)測(cè)的幀間編碼模式來加速當(dāng)前模式選擇。文獻(xiàn)[7]根據(jù)層間相關(guān)性，利用基本層的模式信息來預(yù)測(cè)提高層的幀間預(yù)測(cè)模式，從而降低了編碼計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[11]根據(jù)時(shí)域上相鄰幀的預(yù)測(cè)模式分布模式，提出了自適應(yīng)的快速幀間預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[12-13]通過分析4×4塊的運(yùn)動(dòng)向量場(chǎng)得到MV的一致性，判決當(dāng)前的幀間預(yù)測(cè)模式，從而降低幀間預(yù)測(cè)的編碼計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[14]利用16×16塊與最優(yōu)的分塊預(yù)測(cè)模式之間率—失真的相似性，跳過其他分塊的預(yù)測(cè)模式。文獻(xiàn)[15]利用空域上和時(shí)域上相鄰塊之間的預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，構(gòu)成了最大可能模式列表，降低了編碼的計(jì)算復(fù)雜度。

對(duì)H.264來說，上述方法均獲得較好的編碼性能，但針對(duì)HEVC新提出的新編碼方法，必需研究新的方法來降低其編碼計(jì)算復(fù)雜度。本文通過實(shí)驗(yàn)及分析認(rèn)為，時(shí)域上相鄰幀中對(duì)應(yīng)塊平滑時(shí)，當(dāng)前分塊的幀間預(yù)測(cè)的CU尺寸將比較大，并且其PU模式將有很大的概率為PART_2N×2N，于是，當(dāng)滿足該條件時(shí)，將能跳過一些不太可能的幀間預(yù)測(cè)模式，從而降低編碼的計(jì)算復(fù)雜度。

1 HEVC幀間預(yù)測(cè)模式判決

對(duì)于CU中的每個(gè)PU，編碼器將進(jìn)行單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)搜索，如圖1所示，設(shè)當(dāng)前的PU預(yù)測(cè)模式為PART_nL×2N，該CU分為p和q兩個(gè)PU，這兩個(gè)PU將進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和率—失真代價(jià)的計(jì)算，兩個(gè)PU對(duì)應(yīng)的率—失真代價(jià)值的和為該模式下總的代價(jià)值，對(duì)于當(dāng)前CU，將遍歷所有的PU模式，取其中率—失真代價(jià)值最小的一種PU模式作為最佳PU預(yù)測(cè)模式。

HEVC總體幀間模式判決過程如下：

1）對(duì)于一個(gè)LCU，將通過計(jì)算判決所有尺寸的各個(gè)CU的最佳PU模式，然后從下往上，將4個(gè)8×8尺寸CU總的率—失真代價(jià)值與16×16尺寸CU的率—失真代價(jià)值相比，取其中較小的模式。

2）計(jì)算4個(gè)16×16尺寸CU總的率—失真代價(jià)值。

3）將4個(gè)16×16尺寸CU總的率—失真代價(jià)值與32×32尺寸CU的代價(jià)值相比，也取其中較小的。

4）計(jì)算4個(gè)32×32尺寸CU總的率—失真代價(jià)值。

5）將4個(gè)32×32尺寸CU總的率—失真代價(jià)值與64×64尺寸CU的代價(jià)值相比，也取其中較小的。最終就形成了該LCU各個(gè)CU分割尺寸及其最佳的PU預(yù)測(cè)模式。

2 基于時(shí)域相關(guān)性的快速幀間模式判決

假想這樣一種情況：當(dāng)之前一幀中對(duì)應(yīng)位置區(qū)域?yàn)槠教沟幕蛘咂渲械倪\(yùn)動(dòng)對(duì)象有著相同的運(yùn)動(dòng)向量時(shí)，根據(jù)時(shí)域上的相關(guān)性，則當(dāng)前CU分塊所處區(qū)域也應(yīng)有著類似的特性?？紤]到時(shí)域上的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前幀中的部分對(duì)象可能是從前一幀中對(duì)應(yīng)位置CU分塊的周圍CU分塊中移動(dòng)過來的，此時(shí)，當(dāng)前CU分塊所處的區(qū)域中還是平滑的或者其中的對(duì)象還是有著相同的運(yùn)動(dòng)向量。由于HEVC中定義了4種深度的CU，因此，必須分析對(duì)應(yīng)CU分塊與其空域上相鄰的CU分塊之間的關(guān)系。在HEVC中的8中PU模式中，模式PART_2N×2N代表最平滑的PU預(yù)測(cè)模式。因此，如果對(duì)應(yīng)CU分塊及其周圍的CU分塊的PU模式均為PART_2N×2N，則當(dāng)前CU分塊的PU模式將很有可能為PART_2N×2N，而其他的PU模式可以跳過，從而降低幀間預(yù)測(cè)的計(jì)算復(fù)雜度，如圖2所示。接著將對(duì)上述的假設(shè)條件進(jìn)行測(cè)試，并通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，構(gòu)建該條件下快速算法。

為了描述對(duì)應(yīng)CU分塊及其周圍CU分塊所處區(qū)域的平滑程度，本文定義了一種區(qū)域平滑的條件

式中：Lj為對(duì)應(yīng)塊周圍CU分塊的邊長(zhǎng)，j取0，1，2，3分別表示對(duì)應(yīng)CU分塊的上、左、右和下方的CU分塊；Pj分別表示對(duì)應(yīng)CU分塊的上、左、右和下方的CU分塊的PU模式，下標(biāo)i表示CU深度，其取值0，1，2或3；條件Suri表示對(duì)應(yīng)CU分塊周圍的CU分塊尺寸比對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸大，或者前者尺寸相對(duì)，但其PU模式為PART_2N×2N。

基于條件Suri，本文定義另一個(gè)條件

式中：C1表示當(dāng)條件Suri和Lcu＜Lco滿足時(shí)的條件。于是，可以定義3種概率

式中：Ni，s表示條件Suri滿足時(shí)對(duì)應(yīng) CU 分塊的數(shù)量；Ni是總的對(duì)應(yīng)CU分塊的數(shù)量；下標(biāo)s表示條件Suri滿足；下標(biāo)i表示CU 深度；Ri，s表示滿足條件Suri的概率。

式中：Ni，d表示條件C1滿足時(shí)對(duì)應(yīng)CU分塊的數(shù)量；下標(biāo)d表示條件更深的CU深度；Ri，d表示條件Suri下當(dāng)前CU尺寸小于對(duì)應(yīng)CU的概率。

式中：Ni，p表示條件C1下當(dāng)前塊中 PU模式為PART_2N×2N的CU分塊的數(shù)量；Ni，c表示條件C1下當(dāng)前塊中所有CU分塊的數(shù)量；Ri，e表示條件C1下其PU模式為PART_2N×2N的當(dāng)前CU分塊的概率；下標(biāo)e表示PU模式為PART_2N×2N的當(dāng)前CU分塊的索引號(hào)。

為了更直觀地描述現(xiàn)象，本文定義了一個(gè)比例系數(shù)

式中：Ri表示條件Suri下當(dāng)前CU尺寸小于對(duì)應(yīng)CU且其PU模式為除PART_2N×2N外的其他模式的概率。

為了分析概率Ri，s，Ri，d，Ri.e和Ri，本文在 HM7.0平臺(tái)上測(cè)試了6種不同分辨率和運(yùn)動(dòng)特性的不同CU尺寸，結(jié)果如表1~3所示。

表1 64×64的CU分割深度下Ri，s，Ri，d，Ri.e 和Ri的結(jié)果 %

表2 32×32的CU分割深度下Ri，s，Ri，d，Ri.e 和Ri的結(jié)果 %

表3 16×16的CU分割深度下Ri，s，Ri，d，Ri.e 和Ri的結(jié)果 %

從表 1～3 中的結(jié)果可以看出，概率R0，s，R1，d和R2，d的范圍分別為29.35%～52.78%，28.32%～57.62%和29.35%～71.92%。這說明了在實(shí)際視頻編碼過程中條件Suri占一定的比例，因此，如果能把該條件中冗余的PU模式去除，則能較大地降低編碼的計(jì)算復(fù)雜度。

表1～3顯示，R0，d的范圍為5.56%～11.96%，R1，d和R2，d的范圍分別為12.78%～20.74%和21.19%～29.80%。該結(jié)果說明了：對(duì)于64×64尺寸的對(duì)應(yīng)CU分塊，當(dāng)條件Suri滿足時(shí)，當(dāng)前CU尺寸小于對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸的概率為5.56%～11.96%，而對(duì)于32×32和16×16尺寸的對(duì)應(yīng)CU分塊，當(dāng)條件Suri滿足時(shí)，當(dāng)前CU尺寸小于對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸的概率分別為12.78%～20.74%和21.19%～29.80%。這個(gè)現(xiàn)象可以解釋如下：條件Sur0表示對(duì)應(yīng)CU分塊的周圍CU分塊尺寸均為64×64且其PU模式均為PART_2N×2N。當(dāng)條件滿足時(shí)，對(duì)應(yīng)CU分塊及其周圍CU分塊均有著最大的尺寸及最平滑的PU分割模式，該現(xiàn)象也預(yù)示著對(duì)應(yīng)CU分塊所處區(qū)域是平坦的，或者其中的對(duì)象有著相同的運(yùn)動(dòng)向量，于是，即使有運(yùn)動(dòng)對(duì)象從對(duì)應(yīng)CU分塊的周圍的CU分塊中移動(dòng)到當(dāng)前CU分塊中，當(dāng)前CU分塊中的對(duì)象也會(huì)有著相同的運(yùn)動(dòng)向量。然而，對(duì)于Sur1和Sur2，對(duì)應(yīng)CU分塊及其周圍的CU分塊不全是最大的尺寸，這就意味著當(dāng)前CU分塊中將可能出現(xiàn)更多的紋理或者不同的運(yùn)動(dòng)向量。

表1～3也顯示了R0，e范圍為90.35%～96.04%，而R1，e和R2，e的范圍分別為67.21%～72.79%和52.45%～58.53%，這說明了當(dāng)條件C1滿足時(shí)，64×64尺寸的CU分塊要比32×32和16×16尺寸的CU分塊更有可能具有PART_2N×2N的PU預(yù)測(cè)模式。

表1～3還顯示了R0范圍為0.23%～1.15%，而R1和R2的范圍分別為3.66%～6.80%和7.93%～13.80%，這些結(jié)果說明了以下現(xiàn)象：當(dāng)條件Suri滿足時(shí)，對(duì)于64×64尺寸的對(duì)應(yīng)CU分塊，當(dāng)前塊中的CU分塊尺寸小于對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸時(shí)，當(dāng)前CU分塊的PU模式幾乎均為PART_2N×2N。而對(duì)于32×32和16×16尺寸的對(duì)應(yīng)CU分塊，當(dāng)前CU分塊的PU模式就有一定概率非PART_2N×2N模式。因此，當(dāng)條件Suri滿足時(shí)且對(duì)應(yīng)CU分塊的尺寸為64×64時(shí)，對(duì)于當(dāng)前塊，只需檢測(cè)各層深度CU下的PART_2N×2N的PU模式，其他的PU模式可被跳過以節(jié)省編碼計(jì)算復(fù)雜度。但是，當(dāng)對(duì)應(yīng)CU分塊的尺寸為其他尺寸時(shí)，則當(dāng)前塊中各層深度CU下的其他PU模式不能被跳過。

基于上述的分析，當(dāng)對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸大于當(dāng)前CU分塊尺寸時(shí)的快速幀間預(yù)測(cè)方法可以如圖3所示。

圖3 當(dāng)對(duì)應(yīng)CU分塊尺寸大于當(dāng)前CU分塊尺寸時(shí)的快速幀間預(yù)測(cè)方法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了測(cè)試提出的算法的性能，本文將提出算法與HEVC標(biāo)準(zhǔn)幀間預(yù)測(cè)方法相比，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均為HEVC標(biāo)準(zhǔn)參考軟件JM，實(shí)驗(yàn)中JM采用的為默認(rèn)配置。另外，為了闡述并討論分析最終算法與算法過程步驟之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文編碼性能的比較還基于以下3個(gè)性能指標(biāo)

式中：ΔBitrate是比特率增量；Bitratepro和Bitrateref分別是所提出的快速模式選擇算法和HM7.0的比特率；ΔPSNR是峰值信號(hào)噪聲比的增量；PSNRpro和PSNRref分別是所提出的算法和HM7.0的PSNR；ΔTime是模擬時(shí)間增量；Timepro和Timeref分別是所提出的算法和HM7.0的仿真時(shí)間。從表4中可以看出，相比HM7.0，本文算法在損失了0.21%~0.69%的壓縮率和0~0.05 dB的視頻質(zhì)量的前提下，節(jié)省了8.30%~34.14%的編碼時(shí)間。

表4 本文算法與HM7.0在比特率、視頻質(zhì)量和編碼時(shí)間方面的比較

4 結(jié)論

本文首先分析了前一幀中當(dāng)前塊對(duì)應(yīng)塊所處區(qū)域的平坦性和區(qū)域中對(duì)象運(yùn)動(dòng)向量的一致性，分析并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)前塊與前一幀對(duì)應(yīng)塊幀間模式的相似性，提出當(dāng)前塊幀間模式的判決方法，從而跳過一些不太可能的模式，降低了編碼的計(jì)算復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與HM7.0相比，本文提出的方法在比特率和視頻質(zhì)量損失很小的情況下，節(jié)省了8.30%～34.14%的編碼時(shí)間。

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