一種HEVC幀內(nèi)編碼快速決策算法

劉市 原玲 洪澍

摘要：為了降低HEVC計算復雜度，本文提出了一種快速編碼分割的方法，在CU的分割過程中，根據(jù)當前圖像的紋理特征，基于當前CU塊周圍紋理信息加權(quán)比較，提前結(jié)束CU分割。在模式?jīng)Q策的時候精簡候選模式，減少編碼時間。通過在HM10.0的實驗證明：文中方法相比于HM10.0標準代碼，能降低45.37%的編碼時間，信噪比僅下降0.054，平均比特流僅增加1.02%左右。

關(guān)鍵詞：HEVC；紋理信息；幀內(nèi)預測；快速CU；模式?jīng)Q策

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0298-03

新一代高效視頻編碼（High Efficient Video Coding，HEVC）是由ISO/IEC （MPEG）和ITU-T（VCEG）聯(lián)合制定方新一代視頻編解碼標準，旨在H.264/AVC High Profile [1]的基礎(chǔ)上， 在保證視頻質(zhì)量相同的前提下，視頻流的碼率減少50%。

1 HEVC幀內(nèi)預測編碼概述

與H.264/AVC編碼標準類似，H.265/HEVC編碼先對來自視頻序列的每一幀圖片分割處理成若干個CTU（Coding Tree Unit），然后再對逐個CTU進行處理，繼續(xù)劃分為若干個CU，CU編碼單元是基本的編碼單位。HEVC中定義了三種劃分單元：編碼單元CU（Coding Unit）、預測單元PU（Prediction Unit）、和變換單元TU（Transform Unit）。

和H.264 標準中固定大小的宏塊相比較，HEVC具有更加靈活多變的劃分。其提供的最大編碼單元CU尺寸為64×64 像素，對應深度（Depth）為0。然后以四叉樹的方式逐個遞歸向下分割成4個32×32像素CU，對應深度為1，以此類推，繼續(xù)分割 16×16像素的CU（Depth =2）和8×8像素的CU（Depth =3），一個CTU塊隨機分割如圖1所示：

HEVC的測試模型（HM）中，延續(xù)了H.264的混合編碼架構(gòu)，據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)預測編碼所占時間比較大，而編碼預測復雜度主要是由窮盡的率失真代價計算引起的。幀內(nèi)預測的過程主要可以分為兩步：自上而下遞歸的CU塊的分割過程和從下往上CU修剪過程[3]。

CU分割和修剪過程如圖2所示，HEVC中一幀圖像先劃分割為若干個LCU（64×64的CU， Depth=0），然后，再逐個LCU向下按四叉樹結(jié)構(gòu)遞歸劃分成CU，直到8×8像素的CU結(jié)束，深度變化范圍從0變化到3，如圖2中黑色箭頭部分所示。 在劃分過程中，每劃分一層CU，都會對其進行預測編碼和計算率失真代價（RD Cost）。而CU修剪過程剛好相反，從下往上的CU開始，先比較Depth = 0的4個8×8像素的子CU的RD Cost之和是否小于其父CU（Depth = 1，16×16 Pixels）的RD Cost，如果子CU的和大于父CU的RD Cost，則選擇其父CU；反之，選擇子CU的尺寸，依此推至Depth = 0的LCU層，如圖中灰色部分所示。只有完全分割和修剪完畢后才能決定最終CU預測劃分尺寸。

HEVC幀內(nèi)預測提供35種模式：Plannar、DC和33種不同角度預測模式，其方向如圖3所示。首先進行粗選擇[4]（RMD），即對每一個CU 進行35種預測模式的遍歷，得到每種模式下的殘差信號，然后再對殘差信號進行Hadamard變換計算SATD值，計算出每種預測模式下低復雜度的率失真代價，從小到大排序，選取最小的N種模式為預測模式集。第二步，將已編碼相鄰塊的預測模式（MPMs）補充到預測模式集中，若預測模式中已經(jīng)包含MPMs中的模式，則不需要重復添加。最后，遍歷預測模式集合中的所有模式，然后，對其逐個進行率失真計算，選出其中RDCost最小的作為最佳預測模式。

2 快速CU劃分和模式?jīng)Q策算法

CU塊分割與修剪的和模式?jīng)Q策的都涉及率失真計算問題，而全過程的率失真代價的計算是引起復雜度增加的主要原因 [6]。為了降低幀內(nèi)編碼的復雜度，本文使用當前幀的當前CU塊紋理信息與當前CU塊周圍紋理信息加權(quán)比較，來快速減少CU分割的深度范圍，以便于減少率失真計算過程，然后再在深度范圍內(nèi)設(shè)定修剪范圍，提前結(jié)束CU修剪過程。在幀內(nèi)預測模式?jīng)Q策過程中，通過SATD排序精簡幾種候選模式。

實驗結(jié)果詳見表1。實驗結(jié)果表明，與HM10.0相比，本文提出的算法平均碼率增加1.02%，信噪比下降0.054dB的條件下，可以減45.37%的編碼時間。本文只需要測定當前塊以及周圍塊的紋理信息的簡單計算來限定CU分割和修剪范圍，同時在模式選擇方面精簡候選模式數(shù)量，而不需要使用窮盡的率失真計算，因此大量節(jié)省了時間。所以，本文算法與原始HM10.0算法比較，在保持一定質(zhì)量視頻質(zhì)量要求下，編碼時間上具有一定因素。

4 結(jié)束語

本文提出了基于當前CU塊周圍鄰近CU的紋理信息與當前CU塊紋理信息比較來決策當前LCU深度范圍的快速CU劃分，同時根據(jù)SATD排序精簡模式算法，該算法相比于原本的HM10.0，引起的平均碼率增加僅只有1.02%，而平均能節(jié)省45.37%的編碼時間。下一步研究主要是在幀內(nèi)模式?jīng)Q策上進行分類，更加精簡候選模式數(shù)量，從而獲得更大的編碼復雜度降低。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】