一種快速AVS2幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法

摘 要：針對(duì)目前AVS2幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼模式的選擇和計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，提出了一種基于零系數(shù)塊和底層角度判決的AVS2幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法。該算法先判斷當(dāng)前子塊是否為零系數(shù)塊，避免對(duì)零系數(shù)塊進(jìn)行變換等幀內(nèi)編碼的復(fù)雜操作。對(duì)于非零系數(shù)塊，通過(guò)底層角度判決，從理論上排除了至少40%不可能的預(yù)測(cè)模式。實(shí)驗(yàn)表明，該算法對(duì)壓縮效率的影響很小，將PSNR下降控制在0.2dB內(nèi)，平均比特?cái)?shù)增加少于2%，編碼時(shí)間至少減少26%，有效地降低幀內(nèi)編碼的復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：AVS2；幀內(nèi)預(yù)測(cè)；零系數(shù)塊；編碼單元；底層角度判決

1 概述

AVS是我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[1]。在高清、超高清等應(yīng)用需求的推動(dòng)下，更高壓縮效率的視頻編碼技術(shù)迅速發(fā)展。在此基礎(chǔ)的背景上，2012年，工作組開(kāi)始準(zhǔn)備新一代音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，截至2014年6月，制定工作基本完成，即（Audio Video coding StandardⅡ，AVS2）。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，AVS2的編碼效率比第一代標(biāo)準(zhǔn)提高一倍以上，與最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)HEVC（High Efficiency Video Coding）相當(dāng)[2]。

AVS2采用的關(guān)鍵技術(shù)主要有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和熵編碼等。統(tǒng)計(jì)并比較AVS2各部分的編碼時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，幀內(nèi)預(yù)測(cè)部分消耗的時(shí)間（約35%）在各主要部分中占首位，新技術(shù)在提高壓縮效率的同時(shí)，也顯著增加了編碼復(fù)雜度。

目前針對(duì)如何降低視頻編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)的計(jì)算復(fù)雜度的研究有， 雷海軍，危雄，楊張等提出一種基于邊緣方向強(qiáng)度檢測(cè)的快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式?jīng)Q策算法[3]，但該算法主要針對(duì)HEVC；陳云善，蘇宛新，王春霞等提出一種基于（Sum of Absolute Transformed Difference，SATD）準(zhǔn)則和空間相關(guān)性的快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法[4]來(lái)優(yōu)化幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式的選擇過(guò)程；PALOMINO D， CAVICHIOLI E， SUSIN A提出一種基于在編碼樹(shù)塊的新檢測(cè)順序的快速幀內(nèi)模式?jīng)Q策算法[5]。文章在結(jié)合零系數(shù)塊的基礎(chǔ)上，針對(duì)如何降低幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，提出一種基于零系數(shù)塊和底層角度判決的AVS2幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法。

2 AVS2幀內(nèi)預(yù)測(cè)主要結(jié)構(gòu)

AVS2采用四叉樹(shù)編碼結(jié)構(gòu)，從圖1中我們可以看到，將一幅圖像劃分為若干個(gè)最大編碼單元（Largest Coding Unit，LCU），其最大尺寸為64×64。然后按照四叉樹(shù)遞歸的方式可以將LCU劃分為各種尺寸的編碼單元CU，CU的尺寸可以表示成L×L的樣式，L的取值有8，16，32或64。

不同的編碼單元可以通過(guò)不同的方式劃分成預(yù)測(cè)單元（prediction unit，PU）進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼，在劃分PU的形狀中，相比AVS1，AVS2增添了一種非對(duì)稱的劃分方法，它只適用于亮度子塊，對(duì)色度子塊則不適用，通過(guò)非方形劃分方式的引入，大大降低了相互之間的預(yù)測(cè)距離，使預(yù)測(cè)精度得到提高，因此又被稱為短距離幀內(nèi)預(yù)測(cè)（short distance intra predicion， SDIP），如圖2所示。

在預(yù)測(cè)方向上，與AVS1相比，AVS2增加了更多的預(yù)測(cè)模式。AVS2的每個(gè)亮度預(yù)測(cè)模塊運(yùn)用了33種幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，如圖3 所示，其中編號(hào)3～32屬于運(yùn)用于變化區(qū)域的角度預(yù)測(cè)模式，編號(hào)0～2屬于運(yùn)用于平滑區(qū)域的非角度預(yù)測(cè)模式，包括DC、Plane和bilinear三種模式。

為了確定AVS2幀內(nèi)任何一個(gè)LCU下所有的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，不僅需要遍歷所有尺寸下的CU，還要對(duì)每個(gè)CU中任意劃分的所有PU進(jìn)行33種角度預(yù)測(cè)模式遍歷。從遍歷的過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，AVS2的幀內(nèi)預(yù)測(cè)計(jì)算量非常龐大，同時(shí)也造成編碼復(fù)雜度的提高，如何減少遍歷的模式數(shù)量和簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程成為研究的重點(diǎn)。

3 零系數(shù)塊

3.1 零系數(shù)塊的引出

在AVS2的參考軟件中，視頻原始信號(hào)先通過(guò)幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)編碼獲取殘差信號(hào)，而后通過(guò)編碼器對(duì)殘差信號(hào)進(jìn)行一系列的整數(shù)變換和量化，對(duì)得到的量化系數(shù)進(jìn)行最終的熵編碼，對(duì)視頻信號(hào)的編碼也隨之結(jié)束。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，在全部視頻序列中存在著一種特殊的編碼模塊，其量化系數(shù)全部為零，這意味著對(duì)零系數(shù)塊編碼沒(méi)有任何意義，我們稱之為全零系數(shù)塊（Zero Block，ZB）[7]。

零系數(shù)塊的統(tǒng)計(jì)情況如表1所示，不同的碼流中零系數(shù)塊在各自宏塊中占有很大的比例，并且隨著量化步長(zhǎng)的增大而增大。因此尋找一種能夠在整數(shù)變換之前，利用殘差信號(hào)的相關(guān)信息提前判斷出當(dāng)前子塊為ZB的方法成為降低編碼復(fù)雜度的有效手段。