[發明專利]一種高性能視頻編碼無損模式的殘差變換方法

有效

• 申請號: 201310648456.4
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103634608A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 陳方棟;張金雷;李厚強
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H04N19/61
• 分類號: H04N19/61;H04N19/176;H04N19/593
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

技術領域

本發明涉及視頻編碼技術領域，尤其涉及一種高性能視頻編碼無損模式的殘差變換方法。

背景技術

近年來，隨著通信技術、多媒體技術的不斷發展，人們對于視頻等多媒體通信的需求也越來越高。然而，視頻的數據量巨大，未經過編碼壓縮的視頻數據基本無法在現有信道中傳輸。為了滿足上面的各種要求，國際上先后提出了各種視頻編碼方案。從上個世紀九十年代以來，ITU（國際電信聯盟）和ISO（國際標準化組織）聯合制定了一系列關于視頻壓縮編解碼的國際標準和建議，其中，ITU提出的H.26X系列視頻壓縮標準和ISO/IEC?JTC推出的MPEG（動態圖像專家組）系列國際標準影響最大。2013年1月，視頻編碼標準化組織JCT-VC（Joint?Collaborative?Team?on?Video?Coding，視頻編碼聯合組）正式發布最新一代視頻編碼國際標準——HEVC（High?Efficiency?Video?Coding，高性能視頻標準）。在相同視頻主觀質量下，HEVC的碼率大約僅為上一代視頻編碼標準H.264/AVC的50%。

在編碼基本框架上，HEVC和先前的H.264/AVC標準類似，依然采用混合編碼模式。整個編碼過程主要分為：預測、變換、量化、環路濾波、熵編碼五步。預測部分分為幀內預測和幀間預測。幀內預測利用當前幀已重建像素作為參考像素進行預測，幀間預測利用前面或后面幀重建的像素值作為參考進行預測。預測完成后，將所得的預測值與當前塊相減，進而得到殘差，殘差經過變換量化得到變換系數，最后將變換系數經過熵編碼而得到最后的碼流。無論是幀間預測，還是幀內預測都需要用到重建圖像的信息，因而在編碼過程中，還需要將編碼的殘差系數進行反量化反變換，得到其殘差圖像，再將該殘差圖像與預測值相加，最后經過一個環路濾波濾除視頻圖像中的噪聲。

在HEVC標準中，存在有損壓縮和無損壓縮兩大類編碼模式。對于互聯網中傳輸的大部分視頻，進行適當的有損失壓縮可以很好地降低碼率，從而提高傳輸的效率。而對于醫學視頻、遙感視頻、指紋等領域，無損壓縮也存在很廣泛的應用。HEVC標準的主流應用為有損壓縮，其標準的制定也主要為有損壓縮編碼而服務。在HEVC標準中，無損壓縮作為有損壓縮的擴展部分存在。因而，在HEVC有損壓縮標準之上，再開發一套全新的編碼工具來獲得盡可能好的無損編碼效率已經不切實際。因此，在進行HEVC無損編碼方案設計時，我們應遵循這樣的設計原則：盡可能地利用已有的HEVC有損編碼結構，提出的無損編碼方案對原始的有損編碼結構改動盡可能小，以滿足該標準的通用性和硬件實現的兼容性，同時考慮編碼效率和復雜度的平衡。

在HEVC標準中，由于量化存在量化失真，且其對殘差的變換過程與量化結合在一起進行，因而其變換過程也存在失真。為了保持原有的有損壓縮編碼框架，HEVC標準的無損壓縮編碼直接將變換量化過程跳過。另外，由于編碼前后像素無失真，因而不需要進行環路濾波，HEVC無損壓縮編碼也跳過了環路濾波過程。換言之，在目前HEVC無損壓縮實現中，僅是將變換、量化、環路濾波三部分跳過，以保持重建視頻圖像和原始編碼視頻圖像的無失真。雖然，簡單跳過變換、量化、環路濾波三個過程對原有的編碼框架改動小，易于實現，但是其編碼效率相對較低，無法滿足實際應用需求。對此，已經有很多相關的研究提出了對無損編碼性能進行提高的方法，下面將簡略介紹幾個主要方案及其優劣。

1）針對水平/垂直方向幀內預測的RDPCM（殘差差值脈沖編碼調制）

該方案與原先使用在H.264/AVC標準中的DPCM（差值脈沖編碼調制）方法類似。如圖1a-圖1b所示，設MxN的矩陣R(元素為r_i,j)表示經幀內預測后亮度或色度分量的殘差矩陣。當幀內預測的模式為垂直方向時（如圖1a所示），對殘差矩陣進行如式1所示相減，以獲得到矩陣(元素為)。當幀內預測的模式為水平方向時（如圖1b所示），對殘差矩陣進行如式2所示相減，同樣獲得到矩陣(元素為)。