一種基于SATD的幀內預測算法

劉勇

（上海海事大學 信息與工程學院，上海201306）

一種基于SATD的幀內預測算法

劉勇

（上海海事大學 信息與工程學院，上海201306）

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

幀內預測；SATD；MPM；閾值

當今視頻技術的飛速發展，尤其是高清（HD）、超高清（UHD）、3D 和多視點（Multi Views）視頻技術，據統計，2015年視頻流數據占據整個互聯網流量高達90%之多。雖然近年來迅速提升了網絡帶寬和存儲能力，但是也遠不能滿足海量視頻數據的傳輸和存儲要求。

HEVC視頻編碼仍然采用的是常見的基于塊運動補償的混合視頻編碼模式，但在先前的標準的基礎上有了多處重要的改進，視頻編碼效率得到了顯著提高：在相同的圖像質量前提下，與H.264/AVC高檔次（high profile）比較，壓縮率約提高一倍。同時，HEVC支持各類規格的視頻，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 幀內預測

1.1 預測單元

HEVC是以塊為基本單位進行視頻編碼，在編碼的過程當中，可以將每一幀的圖像分割成若干個圖像塊，對每個圖像塊依次編碼。HEVC采用了更加靈活的編碼塊結構，其中，CU為編碼塊的基本單元；PU是在CU的基礎上進行的進一步遞歸分割得到，是預測的基本單元；則TU是變換的基本單元，能適合內容不同的圖像。

1.2 幀內預測模式

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

圖1 幀內預測模式編號

1.3 模式選擇過程

在HEVC視頻編碼的過程中，在得到PU塊的最優模式之前，需要采用率失真代價（Full RD-cost）來遍歷35種預測模式，（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測模式為當前編碼塊的最佳預測模式，過程如下[5]：

Step1：對當前編碼單元尺寸上的預測模式進行率失真代價計算，遍歷35種預測模式，得到其最有可能的預測模式，代價函數，以及編碼單元深度等信息。

Step2：將當前編碼單元分割成4個更小的編碼單元，再進行step1的計算。

Step3：若當前編碼塊大于8×8尺寸的編碼單元，則轉到step2；若等于8×8尺寸的編碼單元，則跳過。

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

2 基于SATD快速幀內預測算法

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

方案1：

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

方案2：

將方案1中的閾值T1更換為35種預測模式所對應預測塊的SATD值的均值T2。

具體算法流程如圖2所示。

圖2 流程圖

3 實驗結果及仿真

仿真采用的是HM10.0代碼，實驗平臺為CPU 2.4 GHz Intel Core i5、內存 6 GB、操作系統為Windows 7的32位計算機，運行環境是Microsoft Visual Studio 2010， 分別在 QP 值為 28、32、36 3 種情況下對5組視頻序列進行測試。對每個序列的前50幀進行編碼。比較編碼效率的參數指標有PSNR增量 （△PSNR）， 碼率增量 （△Bitrate） 和編碼時間（△Time）計算公式如下：

4 仿真結果分析

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，整體編碼時間都大大降低。本文采用基于SATD算法來篩選幀內預測模式，減少了率失真優化過程帶來的高計算復雜度，因此編碼時間進一步減少，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實驗數據

表2 QP=28實驗數據

表3 QP=36實驗數據

5 結束語

本文算法首先計算出35種預測模式的SATD值，并求得其均值與當前塊的最有可能預測模式MPM的SATD值分別作為閾值T2，T1。然后將35種預測模式所對應預測塊的SATD值與T1、T2進行比較，排除可能性小的預測模式。仿真結果表明，本文算法在保證率失真性能的情況下，降低編碼的復雜度，大大節省了編碼時間。

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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。