一種HEVC幀內(nèi)模式選擇的快速算法

吳大中， 高 飛

(南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044)

0 引言

HEVC(High Efficient Video Coding)是由 JCT-VC發(fā)布的最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，與之前的H.264標(biāo)準(zhǔn)相比，HEVC的碼率可以減少一半[1-3]。這樣的編碼效率可以使得HEVC適應(yīng)更高的視頻分辨率的要求。在HEVC中，采用了許多新的技術(shù)，包括:①用 CU(Coding Unit)代替MB(MacroBlock)，并且采用四分樹分編碼單元分割模式;②采用了35種幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，使得幀內(nèi)預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確;③采用了自適應(yīng)的去方塊濾波器;④采用了更好的運(yùn)動(dòng)向量模式和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法;

HEVC采用的編碼方法雖然能得到更好的編碼效率，但是編碼的復(fù)雜度也相應(yīng)地增加了，使得編碼時(shí)間更長(zhǎng)，這樣不利于滿足編碼的實(shí)時(shí)化要求[4-6]。作為HEVC一個(gè)關(guān)鍵的部分，解決幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度是非常重要的[7-8]。根據(jù)HEVC幀內(nèi)編碼的特點(diǎn)，由于采用了35個(gè)預(yù)測(cè)模式，相比于H.264的9個(gè)要復(fù)雜得多。因此減少幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式對(duì)于減少其復(fù)雜度來說是非常關(guān)鍵的[9-10]。

目前，已經(jīng)有研究人員提出了相應(yīng)的快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇算法[11]。這些快速算法中有的是基于統(tǒng)計(jì)的方法，即統(tǒng)計(jì)SATD方法篩選之后的各個(gè)預(yù)測(cè)模式成為最優(yōu)預(yù)測(cè)模式的概率。有的是根據(jù)鄰近PU(Prediction Unit)的最佳預(yù)測(cè)模式來判斷當(dāng)前PU的最佳模式。還有的方式基于分析當(dāng)前PU的內(nèi)容，邊緣和梯度信息等。在比特率增加非常少的情況下，這些方法可以減少幀內(nèi)編碼時(shí)間大約20%左右，同時(shí)編碼后的視頻質(zhì)量PSNR減少也非常小[12]。

本文提出了一種快速選擇幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式的方法，該方法通過分析當(dāng)前PU的全局邊緣信息，同時(shí)利用HEVC中的SATD統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可以減少最終進(jìn)入R-D Cost的預(yù)測(cè)模式，從而使得幀內(nèi)編碼的時(shí)間減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法在基本不減少編碼效率的情況下，可以使得編碼時(shí)間減少30%左右。

1 HEVC的幀內(nèi)預(yù)測(cè)

在HEVC中，幀內(nèi)預(yù)測(cè)就是利用鄰近位置的像素來預(yù)測(cè)當(dāng)前PU內(nèi)的像素，以便減少幀內(nèi)的冗余度。HEVC使用了35種幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，包括一個(gè)DC模式，一個(gè)Planar模式，以及33個(gè)Angular模式。圖1表示了33個(gè)Angular模式，根據(jù)不同的模式確定參考像素之后，利用插值來預(yù)測(cè)當(dāng)前的像素值。參考像素位于當(dāng)前PU的上方或者左邊。DC模式就是利用上方和左邊的參考像素的平均值作為當(dāng)前PU的預(yù)測(cè)值。Planar模式主要是為了保持分塊之后邊界的連續(xù)性[13]。

圖1 HEVC幀內(nèi)的Angular模式示意圖(數(shù)字表示預(yù)測(cè)模式)

目前，JCT-VC提供了 HEVC的測(cè)試模型代碼HM10。在其中35個(gè)預(yù)測(cè)模式首先經(jīng)過一個(gè)基于Hadamard變換的SATD方法選擇3個(gè)(對(duì)于64×64，32×32，16×16的PU)或者8個(gè)(對(duì)于8×8，4×4的PU)。再根據(jù)鄰近PU的MPM(Most Probable Mode)，這些精簡(jiǎn)之后的預(yù)測(cè)模式作為候選最佳預(yù)測(cè)模式進(jìn)行基于R-D Cost的最佳模式選擇[14-15]。由于進(jìn)行最終R-D Cost的預(yù)測(cè)模式數(shù)量大為減少，這種方法可以很大程度地減少HEVC的幀內(nèi)編碼復(fù)雜度。

根據(jù)文獻(xiàn)[4-8]，PU的最佳預(yù)測(cè)模式與統(tǒng)計(jì)信息和圖像邊緣等信息是存在一些關(guān)系的。由于進(jìn)行基于R-D Cost的方法占據(jù)了主要的時(shí)間，因此減少SATD之后的候選預(yù)測(cè)模式，對(duì)于減少幀內(nèi)編碼的時(shí)間來說是十分重要的。在本文中，通過分析圖像本身的內(nèi)容以及根據(jù)已有的文獻(xiàn)中的關(guān)于預(yù)測(cè)模式統(tǒng)計(jì)特性的研究，對(duì)SATD和MPM之后的預(yù)測(cè)模式再進(jìn)行進(jìn)一步的減少。

2 本文提出的方法

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的結(jié)論，可以通過當(dāng)前PU的全局邊緣來判斷最佳的預(yù)測(cè)模式。在本文中，將當(dāng)前PU的邊緣信息分成兩類:水平邊緣和垂直邊緣。如圖2所示，當(dāng)前PU的水平和垂直邊緣信息可以通過下式判斷:

其中:P(i，j)表示在(i，j)位置的像素值;N表示當(dāng)前PU的高度或者寬度。

圖2 邊緣分類示意圖

如果在當(dāng)前PU中，垂直邊緣是占主要成分的話，則Vec_Edge會(huì)小于Hor_Edge;反之亦然。當(dāng)確定邊緣的分類之后，可以將SATD和MPM之后的預(yù)測(cè)模式限定在相對(duì)應(yīng)的垂直和著水平預(yù)測(cè)模式中。例如，如果當(dāng)前PU的主要邊緣成分是垂直模式，那么最佳的預(yù)測(cè)模式處于垂直區(qū)間的概率則較大。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的分析結(jié)果，SATD和MPM之后的預(yù)測(cè)模式中的第一個(gè)模式成為最終最佳預(yù)測(cè)模式的概率高達(dá)80%。因此在本文，當(dāng)確定了主要的邊緣成分為垂直模式時(shí)，則選擇SATD和MPM之后前一半數(shù)量的預(yù)測(cè)模式進(jìn)入最終的RD Cost選擇，同時(shí)為了避免邊緣分類帶來的誤差，當(dāng)Vec_Edge和Hor_Edge非常接近的情況下，也就是無法進(jìn)行邊緣分類時(shí)，采取和測(cè)試模型代碼HM10.0中一樣的方法。如果當(dāng)前PU的主要邊緣成分為水平模式，也采用類似的方法。

圖3為兩種算法的流程圖。圖(a)為HM10.0中使用的方法，首先對(duì)所有35個(gè)預(yù)測(cè)模式進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，然后利用基于Hadamard變換的SATD方法，選擇3個(gè)或者8個(gè)候選模式，再加上相鄰PU的預(yù)測(cè)模式MPMs(Most Probable Modes，最有可能模式)，這些候選模式進(jìn)入基于R-D Cost的方法，并最終決定最佳預(yù)測(cè)模式。由于基于R-D Cost的方法是占據(jù)主要時(shí)間的部分，因此減少進(jìn)入基于R-D Cost方法的預(yù)測(cè)模式，對(duì)于減少編碼時(shí)間來說非常重要。

圖3(b)為本文提出的一種快速算法，首先根據(jù)當(dāng)前PU的內(nèi)容計(jì)算主要的邊緣成分，并將其進(jìn)行分類為水平和垂直邊緣。如果當(dāng)前PU主要為水平邊緣成分，則將進(jìn)入R-D Cost的預(yù)測(cè)模式限定為水平模式，這樣就可以減少進(jìn)入R-D Cost分析的預(yù)測(cè)模式，也就減少了編碼時(shí)間。

圖3 兩種算法流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)估本文提出的快速方法的性能，采用了常用的3個(gè)指標(biāo):ΔBitRate，ΔPSNR 及ΔEncTime，分別如下式定義:

其中:BitRatefast、PSNRfast、EncTimefast分別表示這種快速方法的比特率、PSNR和編碼時(shí)間;BitRateoriginal、PSNRoriginal、EncTimeoriginal分別表示 HEVC的測(cè)試模型HM10.0的比特率、PSNR和編碼時(shí)間。

關(guān)于幀內(nèi)編碼的參數(shù)設(shè)置如下:最大的編碼單元(Coding Unit，CU)深度為4;最大編碼單元(Largest Coding Unit，LCU)的大小為64x64;GOP的類型為完全幀內(nèi)編碼;量化系數(shù)為32。

表1列出了這種快速方法與HEVC的測(cè)試模型HM10.0在以上3個(gè)指標(biāo)上的性能。為了驗(yàn)證本文提出的方法，用了不同分辨率和不同內(nèi)容的測(cè)試序列進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種快速方法可以減少大約30%的編碼時(shí)間，相比于參考文獻(xiàn)中的方法減少編碼時(shí)間在大約10%～20%，這種方法能更好地減少編碼時(shí)間。同時(shí)相比于參考文相中的方法會(huì)增加比特率達(dá)到1%，這種方法幾乎沒有增加，且視頻的客觀質(zhì)量PSNR平均損失在0.07 dB，視頻質(zhì)量幾乎沒有下降。

另外，從表1中可以看出，這種方法在各個(gè)性能上，對(duì)于不同分辨率和不同場(chǎng)景內(nèi)容的視頻，都是具有統(tǒng)一性的。也就是說，對(duì)于各種情況下的測(cè)試視頻，這種方法在性能上的改進(jìn)都是幾乎一致的。而在參考文獻(xiàn)中的方法，通常會(huì)存在對(duì)某些情況下會(huì)失效的情況。同時(shí)，分析快速算法本身，可以發(fā)現(xiàn)，與目前提出的文獻(xiàn)[4-8]相比，這種方法簡(jiǎn)單，更有利于今后的軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)，降低未來實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度，使得這種方法更加的實(shí)用。

4 結(jié)語

本文提出了一種針對(duì)HEVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇的快速算法。該算法綜合了基于視頻內(nèi)容分析和統(tǒng)計(jì)信息的方法。在編碼時(shí)間上，該快速算法可以減少幀內(nèi)編碼時(shí)間大約30%，優(yōu)于目前已經(jīng)存在一些方法。同時(shí)，目前的其他方法都會(huì)少量增加比特率和降低PSNR的情況，而這種方法幾乎沒有增加比特率和降低視頻質(zhì)量。另外，這種方法針對(duì)各種不同情況的測(cè)試視頻都具有相同的性能，使得其實(shí)用性更強(qiáng)。在方法本身的復(fù)雜度方面，在計(jì)算上更為的簡(jiǎn)單，更有利于軟件和硬件上的實(shí)現(xiàn)。

表1 本文的快速方法以HM10.0的性能比較

[1] Sullivan G J，Ohm J，Woo-Jin Han，et al.Overview of the High Efficiency Video Coding(HEVC)Standard[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2012(12):1649-1668.

[2] 蔣 潔，郭寶龍，莫 瑋，等.利用平滑區(qū)域檢測(cè)的HEVC幀內(nèi)編碼快速算法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，40(3):194-200.JIANG Jie，GUO Bao-long，MO Wei，et al.Fast intra coding algorithm using smooth region detection for HEVC[J].Journal of Xidian University，2013，40(3):194-200.

[3] 趙文強(qiáng)，沈禮權(quán)，張兆楊.HEVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法的優(yōu)化[J].電視技術(shù)，2012，36(8):31-34.ZHAO Wen-qiang， SHEN Li-quan， ZHANG Zhao-yang.Optimization for HEVC Intra Prediction[J].Video Engineering，2012，36(8):31-34.

[4] 朱秀昌，李 欣，陳 杰.新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)——HEVC[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，33(3):1-11.Zhu Xiu-chang，LI Xin，CHEN Jie.Next Generation Video Coding Standard-HEVC[J].Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science)，2013，33(3):1-11.

[5] 劉 昱，胡曉爽，段維忠.新一代視頻編碼技術(shù)HEVC算法分析及比較[J].電視技術(shù)，2012，36(20):45-48.LIU Yu，HU Xiao-shuang，DUAN Ji-zhong.Algorithm Analysis and Comparison of the New Video Coding Technology HEVC[J].Video，Engineering，2012，36(20):45-48.

[6] 成益龍，騰國(guó)偉，石旭利，等.一種快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法[J].電視技術(shù)，2012，36(21):4-7.CHENG Yilong， TENG Guowei， SHI Xuli， et al. Fast Intra Prediction Algorithm for HEVC[J].Video Engineering，2012，36(21):4-7.

[7] 陳雙雙，洪 亮，何衛(wèi)鋒，等.基于 HEVC的 IDCT變換的 VLSI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013，30(7):55-58.CHEN Shuang-shuang，HONG Liang，HE Wei-feng，et al.VLSI Design of 2D IDCT Architecture for HEVC[J].Microelectronics ＆Computer，2013，30(7):55-58.

[8] 李 元，何小海，鐘國(guó)韻，等.一種基于時(shí)域相關(guān)性的高性能視頻編碼快速幀間預(yù)測(cè)單元模式判決算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013(10):2365-2370.LI Yuan，HE Xiao-hai，ZHONG Guo-yun，et al.A fast inter-frame prediction unit mode decision algorithm for high efficiency video coding based on temporal correlation[J].Journal of Electronics ＆Information Technology，2013(10):2365-2370.

[9] Bossen F，Bross B，Suhring K，et al.HEVC Complexity and Implementation Analysis[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2012(12):1685-1696.

[10] Lainema J，Bossen F，Woo-Jin Han，et al.Intra Coding of the HEVC Standard[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2012(12):1792-1801.

[11] Zhang Y，Li Z，Li B.Gradient-based fast decision for intra prediction in HEVC[C]//IEEE Visual Communications and Image Processing(VCIP)，2012:1-6.

[12] da Silva T，Agostini L，da Silva L.Cruz Fast HEVC intra prediction mode decision based on edge direction information[C]//Signal Processing Conference(EUSIPCO)，2012 Proceedings of the 20thEuropean，2012:1214-1218.

[13] Zhao L，Zhang L，Ma S，et al.Fast mode decision algorithm for intra prediction in HEVC[C]//IEEE Visual Communications and Image Processing(VCIP)，2011:1-4.

[14] Kim J，Yang J，Lee H，et al.Fast intra mode decision of HEVC based on hierarchical structure[C]//Information，Communications and Signal Processing(ICICS)2011 8th International Conference on，2011:1-4.

[15] Shen L，Zhang Z，An P.Fast CU size decision and mode decision algorithm for HEVC intra coding[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2013(1):207-213.