王念之

（西安郵電大學 西安 710121）

1 引言

對于上一代視頻編解碼技術H.264，H.265/HEVC在繼承其基本編碼結構的前提下，加入了許多新技術。如H.265/HEVC舍棄了前一代中以宏塊作為編碼單元，采用了樹形編碼結構，在此基礎下定義了編碼樹單元（CTU）、編碼單元（CU）、預測單元（PU）、變換單元（TU）等新型結構單元；并且引入了運動合并技術（Merge），先進的位移矢量預測技術AMVP（Advanced Motion Vector Prediction）等技術，來提高預測的準確度；擴展了幀內(nèi)預測方向。同時引入了樣點自適應補償技術SAO（Sample Adaptive Offset），以此來提高重建圖像的質(zhì)量。在碼率方面，H.265/HEVC比H.264降低了約50%。

近年來，國內(nèi)外的許多學者都不斷的在探索優(yōu)化HEVC編碼過程，這些研究主要從兩個方向展開，包括CU（編碼模塊）的快速劃分以及PU（預測模塊）模式的選擇。有文獻提出了一種基于DCT的快速幀內(nèi)判決算法（Outlier-based Fast Intra Mode Decision，OIMD）。OIMD算法利用TCM（Transparent Composite Model）識別的異常值快速決定是否分割當前編碼單元（CU），減少了幀內(nèi)預測模式數(shù)。另有文獻提出了一種利用圖像紋理復雜度來進行快速CU劃分的方法。首先根據(jù)CTU及其子塊紋理復雜度的關系，排除不滿足劃分條件的單元。而后根據(jù)相鄰PU的尺寸大小，直接選擇跳過尺寸關系不滿足順序排列的層。以4k視頻為編碼對象時，該算法提升了46.8%的編碼速率。

本文提出一種優(yōu)化方案：在原H.265/HEVC編碼標準實現(xiàn)平臺X.265的幀內(nèi)編碼過程中加入一個預處理塊，如圖1所示，其作用：在正式進行幀內(nèi)編碼之前先排除掉一些出現(xiàn)概率較低的幀內(nèi)預測模式以及CTU劃分方式的組合，從而在盡可能保證解碼圖像質(zhì)量的前提下，降低幀內(nèi)預測編碼的計算復雜度和儲存資源使用，最終達到優(yōu)化的目的。

預處理塊的主要工作流程如圖1所示。

圖1 預處理塊工作流程

2 一種優(yōu)化的紋理計算方式

本文提出一種優(yōu)化的圖像紋理測度計算方法，具體步驟如下：

1）首先定義一個值Pe(x，y)來表示圖像中x，y位置上的像素數(shù)值；

2）計算水平方向的紋理測度SA DHOR，如圖2所示。

圖2 水平方向紋理測度計算

由于相鄰的像素之間有很強的關聯(lián)性，因此采取每三列計算一次像素的平均值的方法，在不損失編碼性能的前提下提高了編碼速度，其計算公式如下：

其中i，y表示像素的坐標值；

3）計算垂直方向的紋理測度S A DVER，如圖3所示。

圖3 垂直方向紋理度計算

對于垂直紋理測度同樣采用每三行計算一次平均值的方式，其公式如下：

4）定義一個當前編碼塊的參考像素平均值AV GBLK，將其作為一個離散度計算的標準，分別用水平和垂直方向的紋理測度與其進行離散度計算，其計算公式如下：

5）對待編碼區(qū)域中所有原始像素做SAD計算（取差值的絕對值后求和），得到局部紋理測度SA DTX：

3 基于優(yōu)化圖像紋理測度計算方法的預測模式選擇算法

在得到上述紋理測度計算方法后，以輸入的一個CTU開始，首先將其全部劃分成為8×8大小的塊，按照上一節(jié)中提出的方式計算每個8×8塊在水平和垂直方向上以及局部的紋理測度，按照這三個參數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)確定最終的局部紋理特征。我們先將輸入的一個CTU全部劃分成為8×8塊，開始計算每個8×8塊S ADTX、S A DHOR以及SA DVER的值，比較這三個值的大小，考慮到預測模式可能性的多樣化，此處可以將三個值的大小對比分為四種可能性：

1）S A DTX＞SA DHOR S ADHOR＞SA DVER，記為A組；

2）S A DTX＞SA DVER S A DVER＞SADHOR，記為B組；

3）S A DHOR＞SADVER，記為C組；

4）S A DVER＞S ADHOR，記為D組。

隨后使用數(shù)個1920×1080視頻序列（BQSquare，BasketballDrill，Bigbuckbunny，BQTerrace），在QP一定的情況下，對A～D四種組合所得的最優(yōu)模式在不同序列的8×8塊中作為最優(yōu)預測模式出現(xiàn)的概率進行統(tǒng)計，給出測試結果。

表1 相同QP下預測模式出現(xiàn)概率統(tǒng)計表

由表中數(shù)據(jù)可知，此預測模式選擇方法預測水平和垂直方向上的預測模式，在四個視頻序列中平均命中概率超過75%，可以認為能正確的給出圖像的紋理方向并由此得到正確的預測模式。而當圖像的紋理較為復雜時，大概率會選擇角度模式作為最佳預測模式時，就需要接貨組其他判定條件來完成紋理度的判斷和預測模式的選擇。

圖4 幀內(nèi)預測角度模式及其對應的偏移量

由圖中的各種角度模式偏移量可以大致將33種模式簡化分為4組：

其余角度均可看做是近似于水平或者垂直方向，因此不做分組。

結合本文之前的水平以及垂直方向紋理測度的計算方法，給出上述四種分組的紋理測度計算公式：

目前我們得到了總計七個紋理測度值，將其加入到之前的預測模式選擇算法中，可得到完整的流程。

1）首先計算S ADTX和SA D+30、SAD-30的值，如果SA D+30＞SADTX或者SAD-30＞S ADTX，則將±30度所對應的所有候選模式加入可能合集中｛2，3，33，34，17，18，19｝，結束選擇；否則進行步驟2）；

2）若SA D+30和SA D-30的值均小于或等于5，則說明紋理度不存在與±30度的合集中，進行步驟3），否則進行步驟4）；

3）計算剩余所有的紋理測度的值，得到所有特征值，進行排序，得到最優(yōu)預測模式選擇合集；

4）當SA D+30或SA D-30中有一個的值大于5，記錄其值，并舍棄另一個值，進入步驟3）。

4 結語

為了測試本文提出的算法的優(yōu)化程度，本節(jié)將通過峰值信噪比、比特率以及該模塊所需編碼時間三個參數(shù)對其進行測試分析。在H.265/HEVC編碼標準實現(xiàn)平臺X.265中，將本算法添加進幀內(nèi)預測部分，并刪除相關原算法，選擇出五組不同的測試序列在不同的QP環(huán)境下進行分測試（FourPeople，ParkScene，BQSquare，Traffic，Basketball Drill）得出以下結論。

表2 本文算法與HEVC原幀內(nèi)編碼部分算法性能對比

由表中數(shù)據(jù)可得出結論：本文算法相較原HEVC幀內(nèi)編碼模塊PSNR平均降低0.294dB，比特率平均升高2.098%，平均降低60.94%的編碼時間。

綜上所述，本文所提出的優(yōu)化過的幀內(nèi)預測模式選擇算法相比于原算法，在基本保證不降低編碼效率的同時，較大幅度地提升了編碼速度。