張瑩

摘要：屏幕內(nèi)容編碼是視頻編碼應(yīng)用的重要內(nèi)容，高效視頻編碼（HEVC）中屏幕圖像內(nèi)容編碼的擴(kuò)展方法主要有調(diào)色板模式和IntraBC（Intra Block Copy）模式，它們依據(jù)屏幕圖像內(nèi)容的特點(diǎn)提升了碼率，然而，也增加了編碼的復(fù)雜度和編碼時(shí)間。因此，提出一種針對(duì)于屏幕圖像內(nèi)容的快速模式選擇算法，該方法基于屏幕圖像內(nèi)容的像素平滑性，對(duì)于量化后顏色數(shù)量少的CU塊不進(jìn)行分割；并選擇最佳的三個(gè)預(yù)測(cè)模式與IntraBC模式作比較，決定是否進(jìn)行率失真優(yōu)化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)的HEVC擴(kuò)展方法相比，該方法在僅增加0.4%比特率的情況下，節(jié)省了35%的編碼時(shí)間。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：屏幕內(nèi)容編碼（SCC）；高效視頻編碼（HEVC）；模式選擇；顏色量化；編碼比特

DOIDOI：10.11907/rjdk.161252

中圖分類號(hào)：TP312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007004803

0引言

HEVC（High Efficiency Video Coding）是繼H.264標(biāo)準(zhǔn)后新一代高效視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供實(shí)時(shí)、低延遲、高質(zhì)量的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。與H.264標(biāo)準(zhǔn)相比，HEVC能夠在主觀質(zhì)量不變的情況下降低50%的比特率。為了滿足更加廣泛的應(yīng)用需求，如無(wú)線顯示、云計(jì)算、汽車娛樂(lè)系統(tǒng)等。許多擴(kuò)展方法已經(jīng)加入到HEVC中，屏幕圖像內(nèi)容編碼方案就是其中重要的一部分。

提高屏幕內(nèi)容視頻編碼效率的工具中，調(diào)色板模式（Palette mode）和IntraBC（Intra Block Copy）模式是其中的兩個(gè)主要模式。調(diào)色板模式是一個(gè)基于顏色的預(yù)測(cè)方法，適用于顏色數(shù)目少的視頻序列編碼。IntraBC模式是一種類似于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過(guò)在當(dāng)前預(yù)測(cè)幀內(nèi)找到與當(dāng)前編碼單元（Coding Unit）匹配的已重建過(guò)的CU，并通過(guò)位移矢量（也叫做塊矢量）來(lái)表示。在典型的文字及圖形內(nèi)容為主的圖像中，有許多重復(fù)部分，因此IntraBC模式是屏幕圖像內(nèi)容編碼中的一種非常有效的模式。然而，HEVC擴(kuò)展方法在顯著提高編碼壓縮效率的同時(shí)，也導(dǎo)致了編碼復(fù)雜度和編碼時(shí)間的增加。

針對(duì)HEVC相比于上一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜度高的情況，學(xué)者提出了許多快速算法，嘗試減少幀內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程編碼時(shí)間。Liu等提出了一種快速幀內(nèi)模式選擇算法，通過(guò)文本方向分析從而減少預(yù)測(cè)單元中的多種候選模式。Zhang等提出了一種基于編碼模式代價(jià)值來(lái)結(jié)束當(dāng)前編碼單元模式選擇和TU大小選擇的方法。Zhang提出了一種基于Sobel算子邊緣檢測(cè)技術(shù)的快速幀內(nèi)模式選擇算法。這些方法對(duì)于自然圖像編碼的編碼時(shí)間減少起到很大作用，但目前對(duì)于屏幕內(nèi)容圖像編碼時(shí)間減少的研究，仍沒(méi)得到廣泛關(guān)注。

本文提出一種針對(duì)屏幕內(nèi)容圖像特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的基于預(yù)測(cè)單元紋理平滑和編碼比特的快速模式選擇算法。

1快速模式選擇算法

本文提出兩種方法以保持視頻編碼質(zhì)量損失可接受的情況下取得穩(wěn)定的效果來(lái)降低復(fù)雜度。首先，提出一種基于量化后顏色數(shù)目和預(yù)測(cè)單元紋理平滑的規(guī)則來(lái)決定當(dāng)前CU的分割模式。其次，利用各模式率失真代價(jià)（RDCost）間的關(guān)系決定是否跳過(guò)率失真優(yōu)化過(guò)程（RDO）繼續(xù)幀內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程。算法流程圖如圖1所示。 1.1基于像素量化后顏色數(shù)目的分割模式選擇算法

對(duì)于屏幕內(nèi)容圖像序列，大部分區(qū)域是平滑且像素值大多相等，如圖2所示。因此，選擇當(dāng)前CU的預(yù)測(cè)模式作為此CU最優(yōu)預(yù)測(cè)模式，而不需要考慮下一層CU的預(yù)測(cè)模式，進(jìn)而跳過(guò)相應(yīng)分割過(guò)程。

對(duì)于除了8×8 大小的每個(gè)CU（8×8大小的CU在CU級(jí)別不能繼續(xù)分割），通過(guò)在下一層分割前進(jìn)行當(dāng)前CU像素值的量化來(lái)計(jì)算顏色數(shù)?；谶@種量化，在當(dāng)前預(yù)測(cè)塊顏色數(shù)Numbercolor< TH1的情況下，跳過(guò)分割過(guò)程，TH1設(shè)為2。其中Numbercolor通過(guò)如公式（1）計(jì)算，遍歷當(dāng)前CU中每個(gè)像素，若滿足公式（1），則Numbercolor的值加1。

其中，Pi是當(dāng)前像素值，Tj是經(jīng)過(guò)量化得到的顏色列表中的值。N×N是當(dāng)前CU大小，n是目前為止顏色列表中的數(shù)目。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，TH2設(shè)為5。

1.2基于率失真代價(jià)的模式選擇算法

IntraBC模式對(duì)于文本和圖形區(qū)域內(nèi)容重復(fù)率高的編碼塊是高效的。因此，一個(gè)CU以IntraBC模式作為預(yù)測(cè)模式的可能性非常大。如圖3所示，在任意選取的6個(gè)SCC視頻序列中，平均超過(guò)74%的CU是IntraBC模式預(yù)測(cè)的。事實(shí)上，在屏幕內(nèi)容視頻幀中，IntraBC模式是被用為預(yù)測(cè)最頻繁的模式。同時(shí)，方向預(yù)測(cè)的時(shí)間比IntraBC模式的預(yù)測(cè)時(shí)間要長(zhǎng)，率失真優(yōu)化（RDO）相比于粗粒度模式選擇（RMD）過(guò)程的時(shí)間同樣如此。因此，若能跳過(guò)方向預(yù)測(cè)過(guò)程或率失真優(yōu)化（RDO）過(guò)程，幀內(nèi)預(yù)測(cè)復(fù)雜度將有效下降。

基于以上分析，本文提出的算法將IntraBC模式預(yù)測(cè)過(guò)程放在幀內(nèi)預(yù)測(cè)的第一位。如果能夠判斷IntraBC模式的編碼表現(xiàn)強(qiáng)于方向預(yù)測(cè)編碼表現(xiàn)，則跳過(guò)方向預(yù)測(cè)過(guò)程以節(jié)省編碼復(fù)雜度，繼而能夠減少編碼時(shí)間。但如何在方向預(yù)測(cè)過(guò)程開始前判斷出IntraBC模式的編碼性能更優(yōu)是能否跳過(guò)方向預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

本算法中采用IntraBC模式預(yù)測(cè)后的MAE（Mean Absolute Error，平均絕對(duì)誤差）值來(lái)決定是否跳過(guò)方向預(yù)測(cè)的過(guò)程。標(biāo)記值flagskip定義如下：

其中，MAEintraBC是IntraBC模式預(yù)測(cè)的MAE值，flagskip標(biāo)志當(dāng)值為true時(shí)，跳過(guò)方向預(yù)測(cè)；反之，正常進(jìn)行方向預(yù)測(cè)。TH3是MAEintraBC的閾值。MAE通過(guò)公式（3）表示：

其中，SADintraBC是IntraBC模式預(yù)測(cè)的SAD值，width值是當(dāng)前PU（Prediction Unit，預(yù)測(cè)單元）的寬度值，height值是當(dāng)前PU的高度值。閾值TH3定義如下：

經(jīng)RMD過(guò)程后，N個(gè)列表中的候選模式以哈德瑪變換代價(jià)值（SATD，sum of the absolute transform coefficient differences）為標(biāo)準(zhǔn)按照升序排列[7]，這些候選模式需要經(jīng)過(guò)完整的率失真優(yōu)化過(guò)程來(lái)選取最佳預(yù)測(cè)模式。最優(yōu)預(yù)測(cè)模式通過(guò)計(jì)算候選列表中各模式的率失真代價(jià)，最小率失真代價(jià)模式為最優(yōu)模式，率失真代價(jià)按公式（5）計(jì)算：

其中，D和R代表失真和圖像表示需要的比特?cái)?shù)，是拉格朗日乘數(shù)。候選模式列表中的前3個(gè)候選模式成為最佳模式的比例累積總和是90%[8]。這意味著大部分最佳預(yù)測(cè)模式是從排序前三位的候選模式中選擇的。

本文提出如下規(guī)則：若當(dāng)前CU率失真代價(jià)少于TH3，表示IntraBC模式編碼效果更佳。因此在幀內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程中跳過(guò)方向預(yù)測(cè)模式和調(diào)色板預(yù)測(cè)模式。否則，若當(dāng)前CU率失真代價(jià)大于或等于TH3，繼續(xù)進(jìn)入原幀內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程并保存IntraBC模式率失真代價(jià)值。經(jīng)粗粒度模式選擇過(guò)程后，得到N個(gè)候選模式（N的值隨著CU大小變化），其后選擇具有N個(gè)候選模式列表中的前3個(gè)模式作為比較模式，記做mode0，mode1，mode2。分別將此三種模式的率失真代價(jià)與IntraBC模式的率失真代價(jià)相比。若Min（Intra_Costmodei） > Intra_CostintraBC（i=0，1，2），則跳過(guò)率失真優(yōu)化過(guò)程并選擇IntraBC模式作為幀內(nèi)最優(yōu)預(yù)測(cè)模式。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了評(píng)估算法性能，實(shí)驗(yàn)在HEVC參考軟件HM-14.0+RExt-7.2+SCM-1.1上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件配置為Intel Core i3-2120K CPU @ 3.30 GHz。每個(gè)屏幕內(nèi)容視頻序列采用50幀進(jìn)行編碼以驗(yàn)證算法有效性。實(shí)驗(yàn)所使用的視頻序列列表如表1所示。測(cè)試條件設(shè)置為全幀內(nèi)編碼[9]，QP（Quantization parameter，量化參數(shù)）值設(shè)為22，27，32，37。將本文算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與HEVC相比，以便于描述算法的更優(yōu)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，編碼時(shí)間平均減少了35%，BD rate（比特率）平均增加0.4%，PSNR平均減少0.02。說(shuō)明本算法的編碼性能與HEVC算法相比，沒(méi)有明顯下降，且編碼復(fù)雜度大幅下降。

本文提出一種基于屏幕內(nèi)容視頻量化后顏色數(shù)目和IntraBC模式編碼有效性的快速模式選擇算法。一方面，對(duì)屏幕內(nèi)容視頻參考幀中每個(gè)CU中的像素值進(jìn)行量化，觀察視頻紋理的平滑性以決定是否進(jìn)行下一層分割；另一方面，計(jì)算IntraBC模式的率失真代價(jià)，與幀內(nèi)方向預(yù)測(cè)模式率失真代價(jià)相比，選擇性跳過(guò)幀內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程或幀內(nèi)預(yù)測(cè)中率失真優(yōu)化過(guò)程。本算法在BD rate僅增加0.4%的情況下，編碼時(shí)間顯著節(jié)省了35%?；诹炕箢伾珨?shù)目和IntraBC模式編碼有效性的快速模式選擇算法是一個(gè)值得繼續(xù)研究的方向。

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