專利名稱：一種基于邊緣特征的h.264/avc幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，尤其涉及一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，它是通過在進(jìn)行預(yù)測(cè)之前先對(duì)數(shù)據(jù)塊預(yù)判以減少要處理的預(yù)測(cè)模式數(shù)，屬于視頻壓縮編碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)是由國際電信聯(lián)盟(ITU-T)的視頻編碼專家組(VideoCoding Experts Group，VCEG)與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(IS0/lEC)運(yùn)動(dòng)圖像專家組(Moving Picture Experts Group，MPEG)共同組成的Joint Video Team(JVT)所開發(fā)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為MPEG-4第10部分標(biāo)準(zhǔn)和ITU-T H.264建議。H.264/AVC采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，獲得了優(yōu)秀的壓縮性能，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50％左右的碼率，可獲得更好的壓縮效果，代表了視頻編碼技術(shù)的最新研究成果。
H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)中，為了提高幀內(nèi)編碼的效率而引進(jìn)了幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼。幀內(nèi)預(yù)測(cè)是消除空間冗余的關(guān)鍵技術(shù)，充分利用幀內(nèi)相鄰宏塊間的信息相關(guān)性，只對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼，只用很少的比特就可以表示該宏塊的信息。H.264采用全搜索方法，從眾多的幀內(nèi)編碼候選模式中選出最適合的預(yù)測(cè)模式；為了確定一個(gè)宏塊(Macroblock，MB)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，需要計(jì)算4×(9×16+4)＝592種組合模式的率失真(RD)代價(jià)(RD-Cost)。這使編碼器的復(fù)雜度高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編碼。所以必須使用新方法，降低幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼模式選擇的運(yùn)算復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，對(duì)比于全搜索方法，它可以在信噪比和碼率變化很小的情況下，減少60％左右的計(jì)算時(shí)間。
2、技術(shù)方案 本發(fā)明一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，該方法根據(jù)描述圖像邊緣分布的邊緣直方圖描述子算出的主要邊緣強(qiáng)度(DES)等邊緣方向特征，在進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)之前先對(duì)數(shù)據(jù)塊預(yù)判，選擇出與該特征相對(duì)應(yīng)的模式子集進(jìn)行率失真優(yōu)化(RDO)計(jì)算，降低了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的模式選擇數(shù)；同時(shí)根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，直接從Intra_16×16亮度預(yù)測(cè)模式來確定了Intra_8×8色度預(yù)測(cè)模式，進(jìn)一步減少了算法復(fù)雜度。
本發(fā)明一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下 (1)在幀內(nèi)預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)塊P是基于已編碼重建塊和當(dāng)前塊形成的。對(duì)亮度像素而言，P塊用于4×4子塊或者16×16宏塊的相關(guān)操作；對(duì)色度像素而言，P塊用于8×8宏塊的相關(guān)操作。
(2)對(duì)序列中某一幀進(jìn)行編碼之前，先對(duì)該幀圖像的4×4塊(16×16塊)亮度分量進(jìn)行均值化處理并求取邊緣強(qiáng)度ES，分別為ESv，ESh，ES45°，ES135°，ESnd(ESv，ESh，ES45°)，
式(1)-(5)中，mi表示2×2偽子塊的第i個(gè)像素fiv，fih，fi45°，fi135°，find(i＝0，1，2，3)分別代表垂直邊緣、水平邊緣、45°邊緣、135°邊緣和無方向邊緣的濾波器系數(shù)。
定義式(1)-(5)中最大值為主要方向邊緣強(qiáng)度DES(Dominant EdgeStrength)，如式(6)所示。與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后根據(jù)塊的方向性明顯與否來決定是否選用DC模式，定義式(1)-式(4)的平均值為MES(Mean Edge Strength)，如式(7)所示。

通過比較MES與ESnd大小，來確定是否選用DC模式。即當(dāng)塊的方向性比較明顯時(shí)，對(duì)于4×4亮度塊，選擇主要邊緣強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的模式及其相鄰方向的模式；當(dāng)方向性不明顯時(shí)，只采用DC模式。
(3)宏塊編碼時(shí)，據(jù)求得的Intra_4×4亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES、MES的值按圖4中與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，同時(shí)通過比較MES與ESnd大小，來確定是否選用DC模式。以此來確定確定Intra4×4亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式。
(4)根據(jù)求得的Intra_16×16亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES的值按圖5中與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，以此來確定Intra_16×16亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式。
(5)根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，Intra_8×8色度預(yù)測(cè)的候選模式方向于亮度Intra_16×16塊的候選預(yù)測(cè)模式一一對(duì)應(yīng)。
(6)根據(jù)步驟(2)-(5)中選出的候選預(yù)測(cè)模式，利用H.264/AVC的RD代價(jià)進(jìn)行求取最優(yōu)預(yù)測(cè)。
3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明綜合利用上述方法進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可以明顯提高編碼速度，且能保證編碼的碼率(增加3％)和峰值信噪比(減小0.02dB左右)與全搜索算法相比變化不大。它有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。


圖1是Intra_4×4亮度塊當(dāng)前塊的臨近位置及預(yù)測(cè)方向示意圖 圖2是Intra_16×16亮度塊當(dāng)前塊的臨近位置及預(yù)測(cè)方向示意圖 圖3是4×4亮度塊均值化過程示意圖 圖4是Intra_4×4亮度塊候選模式選擇示意圖 圖5是Intra_16×16亮度塊候選模式選擇示意圖 圖中符號(hào)說明如下 a-p是待預(yù)測(cè)圖像塊像素 A-L，M是預(yù)測(cè)塊P的像素 0-8是Intra_4×4亮度塊預(yù)測(cè)方向 H是水平方向的預(yù)測(cè)像素 V是垂直方向的預(yù)測(cè)像素； mi是2×2偽子塊的第i個(gè)像素值 DES是主要邊緣強(qiáng)度 MES是平均邊緣強(qiáng)度 ESv，ESh，ES45°，ES135°，ESnd是垂直、水平、45°方向、135°方向以沒有無方向情況下各自邊緣強(qiáng)度 具體實(shí)施例方式 見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，該方法具體實(shí)施步驟如下 采用H.264/AVC的參考軟件JM8.6為平臺(tái)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件滿足H.264的Baseline Profile要求，編碼序列為IIII，使用哈達(dá)瑪變換和率失真優(yōu)化；對(duì)于QCIF(4:2:0)和CIF(4:2:0)序列，編碼長(zhǎng)度均為100幀，幀率為30f/s。
(1)在幀內(nèi)預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)塊P是基于已編碼重建塊和當(dāng)前塊形成的。對(duì)亮度像素而言，P塊用于4×4子塊或者16×16宏塊的相關(guān)操作；對(duì)色度像素而言，P塊用于8×8宏塊的相關(guān)操作。圖1是Intra_4×4亮度塊當(dāng)前塊的臨近位置像素及預(yù)測(cè)方向示意圖。圖1(a)為當(dāng)前塊及預(yù)測(cè)塊P。其中a-p為當(dāng)前塊塊像素；A-L，M為用來對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)塊P像素；圖1(b)Intra_4×4亮度塊的幀內(nèi)預(yù)測(cè)方向示意圖。圖2是Intra_16×16亮度塊當(dāng)前塊的臨近位置及預(yù)測(cè)方向示意圖。H，V為用來對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)塊P像素，箭頭所示為預(yù)測(cè)方向。色度塊預(yù)測(cè)方法與Intra_16×16亮度塊預(yù)測(cè)方法類似，只是塊的大小不同，為Intra_8×8。
(2)對(duì)序列中某一幀進(jìn)行幀內(nèi)編碼之前，先對(duì)該幀圖像的4×4塊(16×16塊)亮度分量進(jìn)行預(yù)處理，其過程如圖3所示，對(duì)待處理塊進(jìn)行像素均值化處理，變成一個(gè)2×2的偽子塊，其每個(gè)像素值為4個(gè)像素值的均值。將2×2的偽子塊的4個(gè)像素值與各方向?yàn)V波器系數(shù)想成求得取邊緣強(qiáng)度(ES)，各個(gè)方向的邊緣強(qiáng)度值分別為ESv，ESh，ES45°，ES135°，ESnd(ESv，ESh，ES45°)。

式(1)-(5)中，mi表示2×2偽子塊的第i個(gè)像素值，fiv，fih，fi45°，fi135°，find(i＝0，1，2，3)分別代表垂直邊緣、水平邊緣、45°邊緣、135°邊緣和無方向邊緣的濾波器系數(shù)。
定義式(1)-(5)中最大值為主要方向邊緣強(qiáng)度DES(Dominant EdgeStrength)，如式(6)所示。與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后根據(jù)塊的方向性明顯與否來決定是否選用DC模式，定義式(1)-式(4)的平均值為MES(Mean Edge Strength)，如式(7)所示。

通過比較MES與ESnd大小，來確定是否選用DC模式。即當(dāng)塊的方向性比較明顯時(shí)，對(duì)于4×4亮度塊，選擇主要邊緣強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的模式及其相鄰方向的模式；當(dāng)方向性不明顯時(shí)，只采用DC模式。
(3)宏塊編碼時(shí)，據(jù)求得的Intra_4×4亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES、MES的值來確定Intra4×4亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式。如圖4中，若DES為ESvESnd大于MES，則候選模式只有DC；ESnd小于MES，候選模式為7，0，5。DES為其他方向邊緣強(qiáng)度是候選模式的選擇方法類似。
(4)根據(jù)求得的Intra_16×16亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES的值來確定Intra_16×16亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式。如圖5中，若DES為ESv，候選模式為0和DC。DES為其他方向邊緣強(qiáng)度是候選模式的選擇方法類似。
(5)根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，Intra_8×8色度預(yù)測(cè)的候選模式方向于亮度Intra_16×16塊的候選預(yù)測(cè)模式一一對(duì)應(yīng)。
(6)根據(jù)步驟(2)-(5)中選出的候選預(yù)測(cè)模式，利用H.264/AVC的RD代價(jià)進(jìn)行求取最優(yōu)預(yù)測(cè)。通過提出的算法Intra_4×4亮度塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式由9種變?yōu)?種或1中，Intra_16×16亮度塊或Intra_18×8色度塊幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式由4種變?yōu)?種。通過改進(jìn)，與JM8.6算法相比，所提出的算法在比特率略有增加(增加3％左右)而峰值信噪比(減小0.02dB左右)維持基本不變的情況下，計(jì)算復(fù)雜度明顯降低，平均減少大約60％的計(jì)算時(shí)間
權(quán)利要求
1、一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，其特征在于該方法根據(jù)描述圖像邊緣分布的邊緣直方圖描述子算出的主要邊緣強(qiáng)度即DES等邊緣方向特征，在進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)之前先對(duì)數(shù)據(jù)塊預(yù)判，選擇出與該特征相對(duì)應(yīng)的模式子集進(jìn)行RDO計(jì)算，降低了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的模式選擇數(shù)；同時(shí)根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，直接從Intra_16×16亮度預(yù)測(cè)模式來確定了Intra_8×8色度預(yù)測(cè)模式，進(jìn)一步減少了算法復(fù)雜度；該方法具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下
步驟一在幀內(nèi)預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)塊P是基于已編碼重建塊和當(dāng)前塊形成的；對(duì)亮度像素而言，P塊用于4×4子塊或者16×16宏塊的相關(guān)操作；對(duì)色度像素而言，P塊用于8×8宏塊的相關(guān)操作；
步驟二對(duì)序列中某一幀進(jìn)行編碼之前，先對(duì)該幀圖像的4×4塊(16×16塊)亮度分量進(jìn)行均值化處理并求取邊緣強(qiáng)度ES，分別為ESv，ESh，ES45°，ES135°，ESnd(ESv，ESh，ES45°)，
式(1)-(5)中，mi表示2×2偽子塊的第i個(gè)像素fiv，fih，fi45°，fi135°，find(i＝0，1，2，3)分別代表垂直邊緣、水平邊緣、45°邊緣、135°邊緣和無方向邊緣的濾波器系數(shù)；
定義式(1)-(5)中最大值為主要方向邊緣強(qiáng)度DES(Dominant Edge Strength)，如式(6)所示；與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后根據(jù)塊的方向性明顯與否來決定是否選用DC模式，定義式(1)-式(4)的平均值為MES(Mean Edge Strength)，如式(7)所示。
DES＝MAX{ESv，ESh，ES45°，ES135°，ESnd}(6)
MES＝1/4∑(ESv+ESh+ES45°+ES135°) (7)
通過比較MES與ESnd大小，來確定是否選用DC模；即當(dāng)塊的方向性比較明顯時(shí)，對(duì)于4×4亮度塊，選擇主要邊緣強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的模式及其相鄰方向的模式；當(dāng)方向性不明顯時(shí)，只采用DC模式；
步驟三宏塊編碼時(shí)，據(jù)求得的Intra_4×4亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES、MES的值與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，同時(shí)通過比較MES與ESnd大小，來確定是否選用DC模式。以此來確定確定Intra4×4亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式；
步驟四根據(jù)求得的Intra_16×16亮度塊的邊緣強(qiáng)度及DES的值與DES對(duì)應(yīng)的邊緣方向及其相鄰的方向被確定為候選模式，以此來確定Intra_16×16亮度塊的候選預(yù)測(cè)模式；
步驟五根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，Intra_8×8色度預(yù)測(cè)的候選模式方向于亮度Intra_16×16塊的候選預(yù)測(cè)模式一一對(duì)應(yīng)；
步驟六根據(jù)步驟(2)-(5)中選出的候選預(yù)測(cè)模式，利用H.264/AVC的RD代價(jià)進(jìn)行求取最優(yōu)預(yù)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明一種基于邊緣特征的H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法，該方法根據(jù)描述圖像邊緣分布的邊緣直方圖描述子算出的主要邊緣強(qiáng)度(DES)等邊緣方向特征，在進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)之前先對(duì)數(shù)據(jù)塊預(yù)判，選擇出與該特征相對(duì)應(yīng)的模式子集進(jìn)行RDO計(jì)算，降低了幀內(nèi)預(yù)測(cè)的模式選擇數(shù)；同時(shí)根據(jù)色度預(yù)測(cè)模式與亮度預(yù)測(cè)模式的相關(guān)性，直接從Intra_16×16亮度預(yù)測(cè)模式來確定了Intra_8×8色度預(yù)測(cè)模式，進(jìn)一步減少了算法復(fù)雜度。該方法有六個(gè)步驟，方便易行。實(shí)踐顯示，該方法可以明顯提高編碼速度，且能保證編碼的碼率(增加3％)和峰值信噪比(減小0.02dB左右)與全搜索方法相比變化不大。它有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H04N7/32GK101494792SQ20091007669
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者翔 王, 翟昌英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)