高碼率下幀間亞像素自適應插值

劉小杰 郜廣蘭 任 剛 狄文輝

（河南工學院計算機科學與技術學院，河南 新鄉453000）

0 引言

每一代視頻編碼標準相比上一代都會有將近50%的編碼效率提升[1，2]。HEVC標準相比H.264/AVC做了許多改進，但仍然屬于基于塊的混合編碼框架，即HEVC（High Efficiency Video Coding）仍然是圍繞預測，變換/量化，環路濾波和熵編碼進行提升。HEVC預測方面改進主要圍繞編碼單元，幀內預測和幀間預測[3-5]；HEVC變換編碼支持更大的尺寸的變換，由16×16增大到32×32，并且新增了DST（Discrete Sine Transform）變換和跳過變換模式（Transform Skip）[6]；環路濾波主要改進了原來的Deblocking Filter（DF）技術和新增了樣點自適應補償技術（SAO，Sample Adaptive Offset）工具；熵編碼不再支持CAVLC技術，針對HEVC框架中變換后系數的特性，HEVC變換系數編碼進行了相應的優化。針對高碼率下HEVC幀間固定插值濾波器無法自適應于視頻內容，本文提出了一種幀間自適應插值算法，對于每個編碼單元有兩組插值濾波器，每個編碼單元可以自適應的選擇一組插值濾波器，然后將相應的濾波器選擇結果編入碼流中。將所提出的算法應用于HEVC參考模型HM中，在Low Delay P配置文件下，QP ISlice分別設置為12、15、18和21，所提出的算法平均提升5.29%的編碼效率，對于Kimono測試序列有11.82%的編碼效率提升。

1 HEVC中插值過程

HEVC亞像素運動搜索采用最高精度為1/4的亞像素運動搜索，進行亞像素運動搜索首先需要估計出亞像素，亞像素由固定插值濾波器與整數像素做內積得到。HEVC亮度分量使用的固定插值濾波器如表1所示，一共有三組插值濾波器f1，f2和f3，其中f1和f 3為七抽頭插值濾波器，f2為8抽頭插值濾波器。逆序f1濾波器的系數即可得到f3。可以觀察到f2具有對稱性。

表1 HEVC亮度分量插值濾波器

HEVC亮度層整像素和亞像素的位置如圖1所示，其中大寫字母Ai，j表示第j行和第i列的整像素，小寫字母a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，n，p，q和r表示 亞像素。其中水平方向亞像素和豎直方向的亞像素a，b，c，d，h和n可直接由插值濾波器f1，f2和f3直接與整像素做內積得到，其他位置亞像素由插值濾波器與亞像素a，b和c做內積得到。亞像素a，b，c，d，h和n可以由公式（1）得到，其中>>表示右移運算。

圖1 HEVC亮度分量亞像素示意圖

其他位置亞像素點e，f，g，i，j，k，p，q和r由公式（2）得到。

2 高碼率下幀間亞像素自適應插值算法

在原有HEVC插值濾波器基礎上，新增一組插值濾波器如表2所示。每個編碼塊可以根據率失真代價從表1和表2這兩組濾波器選擇一種，率失真代價如公式（3）所示。

表2 亮度分量新插值濾波器

其中SATD（Sum of Absolute Transformed Difference）表示當前塊的經過亞像素插值以后的殘差進行哈達瑪變換（Hadamard Transform，HT）以后的系數絕對值之和，λ表示拉格朗日乘子，B表示編碼當前塊選擇濾波器的結果符號位所消耗的比特數（Bits）。

編碼插值濾波器選擇的結果在編碼運動向量之后，這樣當亞像素運動向量為0，則不需要傳輸把濾波器選擇結果。

3 實驗

將所提出算法應用到HEVC參考軟件HM12.1中，采用Low Delay P配置文件，QPISlice分別設置為12、15、18和21，采用了5個測試序列，分別是Nebuta Festival（2560×1600）、Kimono（1920×1080）、BQTerrace（1920×1080）、BasketballDive（1920×1 080）和Vidyo3（1280×720），使用BD-Rate（Bjontegaard-Delta Rate）來評價實驗結果[7]，負值表示碼率節省。測試序列可以在參考文獻[8]中找到，視頻格式全部采用YUV420。在視頻格式為YUV420中，編碼效率主要由亮度層決定，因此我們把所提出的方案僅應用到亮度層。

實驗結果如表3所示，與HEVC相比，所提出的算法在亮度層平均可以提升5.29%的編碼效率，平均提升PSNR達0.07dB。對于Kimono序列，本算法編碼效率提升達到了11.82%。

表3 所提出算法與HEVC的編碼效率比較

4 結語

針對HEVC高碼率下的幀間插值，本文提出一種幀間自適應插值算法，該算法可以有效提升幀間編碼效率，最高可以達到11.82%。所提出的算法僅應用于亮度層，將來可以將所提出算法應用到色度層。從本文也可以看出高碼率下的視頻編碼仍然有很大的提升空間，尤其是幀間亞像素運動補償模塊。