劉勇

（上海海事大學(xué) 信息與工程學(xué)院，上海201306）

一種基于SATD的幀內(nèi)預(yù)測算法

劉勇

（上海海事大學(xué) 信息與工程學(xué)院，上海201306）

基于減少視頻編碼復(fù)雜度的目的，本文采用一種基于SATD的幀內(nèi)預(yù)測模式選擇算法，該算法首先計(jì)算出35種預(yù)測模式所對應(yīng)的SATD值，然后通過MPM選擇出最有可能預(yù)測模式，并計(jì)算出最有可能預(yù)測模式所對應(yīng)的SATD值和35種預(yù)測模式所對應(yīng)的SATD值的均值，并作為閾值T。接著將35種預(yù)測模式對應(yīng)的SATD值與閾值T比較，排除可能性小的預(yù)測模式，避免不必要的計(jì)算，從而降低幀內(nèi)預(yù)測編碼的復(fù)雜度。通過HM10.0仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明在圖像質(zhì)量沒有明顯下降的情況下，節(jié)省了大量的編碼時(shí)間。

幀內(nèi)預(yù)測；SATD；MPM；閾值

當(dāng)今視頻技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是高清（HD）、超高清（UHD）、3D 和多視點(diǎn)（Multi Views）視頻技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年視頻流數(shù)據(jù)占據(jù)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)流量高達(dá)90%之多。雖然近年來迅速提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)能力，但是也遠(yuǎn)不能滿足海量視頻數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)要求。

HEVC視頻編碼仍然采用的是常見的基于塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕旌弦曨l編碼模式，但在先前的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上有了多處重要的改進(jìn)，視頻編碼效率得到了顯著提高：在相同的圖像質(zhì)量前提下，與H.264/AVC高檔次（high profile）比較，壓縮率約提高一倍。同時(shí)，HEVC支持各類規(guī)格的視頻，從 QVGA（320×240）到1 080 p（1 920×1 080），直至超高清視頻 4 320 p（7 980×4 320）。

1 幀內(nèi)預(yù)測

1.1 預(yù)測單元

HEVC是以塊為基本單位進(jìn)行視頻編碼，在編碼的過程當(dāng)中，可以將每一幀的圖像分割成若干個(gè)圖像塊，對每個(gè)圖像塊依次編碼。HEVC采用了更加靈活的編碼塊結(jié)構(gòu)，其中，CU為編碼塊的基本單元；PU是在CU的基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步遞歸分割得到，是預(yù)測的基本單元；則TU是變換的基本單元，能適合內(nèi)容不同的圖像。

1.2 幀內(nèi)預(yù)測模式

幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)是利用相鄰像素之間的空間相關(guān)性對當(dāng)前編碼塊進(jìn)行預(yù)測的一種編碼技術(shù)，能夠有效的去除空間冗余信息。在H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，幀內(nèi)預(yù)測模式采用的是16*16和4*4兩種預(yù)測模式，且分別只有9種和4種預(yù)測方向。，為了能夠提供更精確的預(yù)測和提高幀內(nèi)預(yù)測的編碼效率，HEVC標(biāo)準(zhǔn)在H.264的基礎(chǔ)上做了很多的改進(jìn)，其中包括PU的尺寸從原來的4*4與16*16兩種預(yù)測模式增加到4*4到64*64，并且增加了多種幀內(nèi)預(yù)測模式，其中分別包括33種角度預(yù)測模式，DC模式以及平面（planar）模式。如圖1所示。

圖1 幀內(nèi)預(yù)測模式編號

1.3 模式選擇過程

在HEVC視頻編碼的過程中，在得到PU塊的最優(yōu)模式之前，需要采用率失真代價(jià)（Full RD-cost）來遍歷35種預(yù)測模式，（最大編碼單元為64×64，最小編碼單元為8×8），并選擇率失真性能最好的預(yù)測模式為當(dāng)前編碼塊的最佳預(yù)測模式，過程如下[5]：

Step1：對當(dāng)前編碼單元尺寸上的預(yù)測模式進(jìn)行率失真代價(jià)計(jì)算，遍歷35種預(yù)測模式，得到其最有可能的預(yù)測模式，代價(jià)函數(shù)，以及編碼單元深度等信息。

Step2：將當(dāng)前編碼單元分割成4個(gè)更小的編碼單元，再進(jìn)行step1的計(jì)算。

Step3：若當(dāng)前編碼塊大于8×8尺寸的編碼單元，則轉(zhuǎn)到step2；若等于8×8尺寸的編碼單元，則跳過。

Step4：對所有劃分方式進(jìn)行率失真比較，得出編碼單元的最優(yōu)分割方式，并儲(chǔ)存最小的率失真代價(jià)（RD-cost）。

2 基于SATD快速幀內(nèi)預(yù)測算法

預(yù)測差值與模式選擇直接影響編碼的效率和質(zhì)量。對預(yù)測差值進(jìn)行Hadmard變換，然后計(jì)算變換系數(shù)的絕對和得到SATD（sum of Absolute Transformed）由于SATD與率失真（RD）性能具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以SATD可以作為重要的判斷依據(jù)，將可能性小的預(yù)測模式排除掉，大大的縮小了模式選擇的范圍，從而降低視頻編碼的復(fù)雜度。本章所提出的基于SATD的快速幀內(nèi)預(yù)測模式選擇算法內(nèi)容如下：

方案1：

首先計(jì)算出35種預(yù)測模式所對應(yīng)的SATD值，然后，通過其左邊塊和上邊塊的模式來預(yù)測出最有可能預(yù)測模式MPM，并將當(dāng)前塊的最有可能預(yù)測模式MPM的SATD值作為閾值T1，最后將35種預(yù)測模式的SATD值與閾值T1進(jìn)行比較，排除可能性小的預(yù)測模式，避免不必要的計(jì)算，從而降低幀內(nèi)預(yù)測的編碼復(fù)雜度。流程圖如圖2所示：

方案2：

將方案1中的閾值T1更換為35種預(yù)測模式所對應(yīng)預(yù)測塊的SATD值的均值T2。

具體算法流程如圖2所示。

圖2 流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真

仿真采用的是HM10.0代碼，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為CPU 2.4 GHz Intel Core i5、內(nèi)存 6 GB、操作系統(tǒng)為Windows 7的32位計(jì)算機(jī)，運(yùn)行環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2010， 分別在 QP 值為 28、32、36 3 種情況下對5組視頻序列進(jìn)行測試。對每個(gè)序列的前50幀進(jìn)行編碼。比較編碼效率的參數(shù)指標(biāo)有PSNR增量 （△PSNR）， 碼率增量 （△Bitrate） 和編碼時(shí)間（△Time）計(jì)算公式如下：

4 仿真結(jié)果分析

從表1、表2和表3中可以看出，方案1與方案2相對于HM10.0，在保證率失真性能沒有明顯下降的前提下，整體編碼時(shí)間都大大降低。本文采用基于SATD算法來篩選幀內(nèi)預(yù)測模式，減少了率失真優(yōu)化過程帶來的高計(jì)算復(fù)雜度，因此編碼時(shí)間進(jìn)一步減少，方案1與HM10.0相比降低了大約10%~13%，方案2較HM10.0降低了13%~16%。

表1 QP=32實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 QP=28實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 QP=36實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文算法首先計(jì)算出35種預(yù)測模式的SATD值，并求得其均值與當(dāng)前塊的最有可能預(yù)測模式MPM的SATD值分別作為閾值T2，T1。然后將35種預(yù)測模式所對應(yīng)預(yù)測塊的SATD值與T1、T2進(jìn)行比較，排除可能性小的預(yù)測模式。仿真結(jié)果表明，本文算法在保證率失真性能的情況下，降低編碼的復(fù)雜度，大大節(jié)省了編碼時(shí)間。

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A based on SATD intra prediction algorithm

LIU Yong
（College of Information and Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Based video coding to reduce the complexity of the object，this paper presents a selection algorithm based on the intra-frame prediction of SATD ，the algorithm calculates the 35 kinds of prediction modes corresponding to the SATD value firstly，then selects the most likely prediction mode by MPM，and calculates the most likely SATD value of prediction mode and the means of SATD value corresponding to35 kinds of prediction modes and as the threshold value T.Then we calculate 35 kinds of prediction modes SATD value that is then compared with a threshold value T in order to exclude the less possibility prediction mode and avoid unnecessary computations，thereby it reduces the complexity of estimated intra-coded.By HM10.0 simulation test，the results show that under the premise of no significant drop in the image quality，the encoding time can be saved a lot.

intra-frame prediction；SATD；MPM；threshold value

TN919.8

A

1674－6236（2017）12-0023-04

2016-04-21稿件編號：201604206

劉 勇（1990—），男，安徽池州人，碩士研究生。研究方向：視頻編碼與壓縮。