專利名稱：一種基于幾何分割的視頻圖像解編碼方法
技術領域：
本發明涉及視頻圖像的編解碼方法，尤其是一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法。
背景技術：
現有的視頻編碼標準均采用規則塊分割方法進行幀間運動估計和運動補償，規則塊分割結構簡單，易于實現。特別是最新的視頻標準H.沈4，采用更小的塊尺寸(4x4)描述運動物體邊界，極大提高了運動估計的準確性。但是，規則塊分割模型的塊邊界均是基于水平和垂直方向，無法描述自然圖像中運動物體復雜多變的邊界。
MPEGl、MPEG4等傳統視頻編碼采用8x8的二維離散余弦變換(2_D DCT)，利用圖像像素亮度間的高相關性以及DCT接近于最佳KL變換的性質，消除圖像信號的空間冗余。視頻標準H. 264為了降低運算復雜度及消除DCT和IDCT的失配，采用了 4x4的二維整數變換 (2-D ICT)，相比于二維離散余弦變換，其編碼效率有所下降。由于二維離散余弦變換的變換基的正交性，當待編碼圖像塊中包含有非垂直/非水平方向的邊界信息時，DCT變換會產生較多的非零高頻系數，限制了 DCT變換的壓縮效率。
由于自然視頻圖像中的運動物體邊界是不規則的，存在著各種斜率的邊界和具有曲率的曲線邊界，因此，不規則的幾何分割更能準確描述其物體邊界。幾何分割塊經過運動補償后，殘差更多地集中在分割邊界，經過傳統二維正交變換后，將產生較多高頻非零系數，限制了壓縮效率的提高。發明內容
本發明提出一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，將幾何分割運動補償和像素重排相結合，利用編碼塊不規則的分割信息表達殘差塊像素的重排方向，將不規則塊分割所得到的邊界殘差旋轉到水平/垂直方向，從而減少二維正交變換系數的高頻成分，提高壓縮效率。
本發明一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼的方法，其中編碼包括以下步驟 步驟1、將輸入視頻圖像分割成若干矩形編碼塊；步驟2、分別對分割后每一個矩形編碼塊執行步驟3到步驟8的操作；步驟3、對選定的矩形編碼塊設定一組候選分割模式集合S，步驟4、選取候選分割模式集合S中的一種分割模式Si對所述矩形編碼塊進行分割， 將矩形編碼塊分割成兩個不規則塊，并對這兩個不規則塊分別進行運動估計，獲得兩個不規則殘差塊，將這兩個不規則殘差塊合并成矩形殘差塊，并計算該分割模式Si的率失真代價；步驟5、選取分割模式集合S中所有的分割模式Si對當前矩形編碼塊進行分割，并計算各種分割模式Si所對應的率失真代價，并選取其中率失真代價最小的分割模式Si作為當前矩形編碼塊的最佳分割模式；步驟6、設當前矩形編碼塊大小為MxN，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編碼塊所對應的當前矩形殘差塊進行正交變換，得到由MxN個變換系數組成的非重排變換系數矩陣，并計算該非重排變換系數矩陣的率失真代價；步驟7、設當前矩形編碼塊大小為MxN，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編碼塊所對應的當前矩形殘差塊，根據其最佳分割模式對當前矩形殘差塊進行像素重排，得到重排矩形殘差塊，對重排矩形殘差塊進行正交變換，得到由MxN個變換系數組成的重排變換系數矩陣，并計算重排變換系數矩陣的率失真代價；步驟8、比較上述非重排變換系數矩陣和重排變換系數矩陣的率失真代價值，選取其中代價值最小的為當前矩形編碼塊的最終變換系數矩陣，對最終變換系數矩陣的系數進行量化、熵編碼后寫入碼流，同時將最佳分割模式信息和最終變換系數矩陣信息編入碼流； 解碼為前述編碼的逆過程。
所述的候選分割模式包括不分割和幾何分割。
所述的幾何分割是指采用一條曲線或直線將矩形編碼塊分割成兩個區域，分割線與矩形編碼塊邊界交叉于兩點。
所述的像素重排是根據幾何分割的分割邊界方向，對當前大小為MXN的矩形殘差塊中的像素點進行重排，將沿分割邊界方向的像素進行坐標置換后移至水平方向或垂直方向，其中，像素點坐標(i，j)的坐標變換公式為R(i，j) = (k, 1)，其中0<i<M，O^j <N, 0 ^ k < Μ, 0 ^ 1 < N, R( ·)為可逆變換的重排變換函數，若R(i，j) = (i, j), 則為一致變換。
采用本發明的技術方案后，由于矩形編碼塊的不規則分割信息能夠表達矩形編碼塊內的物體邊界主要方向，而矩形編碼塊內的物體邊界恰恰是殘差較大部分，利用不規則分割信息，對矩形殘差塊的像素位置進行重新排列，使矩形殘差塊中的邊界方向盡可能調整到水平/垂直方向，再進行二維正交變換，從而盡可能減少變換后的高頻非零系數，提高變換的壓縮效率。


圖1為本發明中編解碼的流程示意圖；圖2為本發明基于直線分割方法的宏塊分割示意圖； 圖3為本發明中重排DCT與LBP塊劃分相結合的示意圖； 圖4為本發明中像素行循環移位示意圖； 圖5為本發明中像素列循環移位示意圖。
以下結合具體實施例和附圖對本發明作進一步詳述。
具體實施方式
如圖1所示，本發明一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，具體包括如下步驟步驟1、將輸入視頻圖像分割成若干矩形編碼塊，該矩形編碼塊可以是長方形或正方形，可以是均等分割，也可以是不均等分割，即既可以大小相同，也可以大小不同。步驟2、該輸入視頻圖像為原始圖像數據；本實施例中將該輸入視頻圖像分割成規則的16X 16宏塊(編碼塊)，當然，此處矩形編碼塊不限于16X 16尺寸，分別對分割后的每一個矩形編碼塊執行步驟3到步驟8的操作。
步驟3，對選定的矩形編碼塊設定一組候選分割模式集合S，-ST= (^J €Ω},該候選分割模式用于對矩形編碼塊進行基于內容的不規則幾何分割或不分割，本實施例以基于直線分割方法(LBP)的幾何分割法為例，即采用一條直線段將一個宏塊分割成兩個區域。
如圖2所示，圓圈表示像素點，大的矩形框表示一個宏塊，直線段AB (分割線)將該宏塊分割為PO和Pl兩個區域，A、B為分割線AB與宏塊邊界的交叉點，A、B的位置可以任意，也可以采用固定間距(如以1個像素或者2個像素為單位)的邊界位置。采用斜率和截距更精確的直線段對宏塊進行分割，一定程度上能夠對具有曲率的運動物體邊界進行更為準確的描述。
步驟4、選取分割模式集合S中的一種分割模式Si對當前矩形編碼塊進行幾何分割，將矩形編碼塊分割成兩個不規則塊，并對幾何分割后的兩個不規則塊分別進行運動估計，獲取兩個不規則殘差塊，將這兩個不規則塊殘差塊合并成矩形殘差塊，這里，選擇SAD 匹配準則進行運動估計；并計算該分割模式&的率失真代價。
步驟5、選取分割模式集合S中所有的分割模式Si對于上述每一個宏塊進行幾何分割，并計算各種分割模式Si所對應的率失真代價，并選取率失真代價最小的分割模式Si 作為當前矩形編碼快的最佳分割模式，完成幾何分割；該率失真代價函數為J(p) = iXp》+li (i )其中，P表示宏塊分割模式，R(P)表示該宏塊編碼比特數，而D(P)則為在分割模式P下的失真度(如MSE )，^!為拉格郎日常數。
R(p)包含三部分，即宏塊分割模式所需比特數B(p)，運動矢量信息V(p)和殘差信息(p)，其公式為 _ = νφ) +B(P)+ ΡΨ (ρ)。對于LBP模式，Β(ρ)包含兩部分信息分割模式信息I0O )和分割點AB的位置信息瑪(P)，因此，對于LBP模式Rl迎(P)=『(>)+ 爲(ρ) + B1(P) + Rres (ρ)基于LBP模式分割的宏塊上分割點A、B的坐標，可根據其左邊和上邊宏塊的分割信息進行預測。若左邊宏塊采用LBP模式且其中一個分割點與當前宏塊的一個分割點位于同一公共邊，則通過左邊宏塊的分割點對當前宏塊的分割點進行預測；否則采用定長編碼方式， 對分割點相對于宏塊原點(左上角點)的相對坐標進行編碼。
將LBP模式分割方法與基于像素重排的DCT (簡稱RDCT)相結合，如圖3，左邊為采用LBP模式分割的原始塊，分割線AB與水平線夾角為沒；右邊為對應殘差塊的重排方式， 在LBP模式下，線段AB的方向作為殘差塊的邊界方向或紋理方向，因此，殘差塊的重排方向角亦為■，#的取值隨著線段AB斜率的變化而改變,浸將不限于某些離散的角度。
步驟6、設當前矩形編碼塊大小為ΜχΝ，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編碼塊所對應的當前矩形殘差塊進行正交變換，得到由MxN個變換系數組成的非重排變換系數矩陣，并計算該非重排變換系數矩陣的率失真代價；步驟7、設當前矩形編碼塊大小為MxN，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編 碼塊所對應的當前矩形殘差塊，根據最佳分割模式中幾何分割的邊界方向角，對當前大小 為MXN的矩形殘差塊中的像素點進行重排，將沿分割邊界方向的像素進行坐標置換后移 至水平方向或垂直方向，其中，像素點坐標(i，j)的坐標變換公式為R(i，j) = (k, 1)， 其中0<i<M，O ^ j < N, O ^ k < Μ, O ^ 1 < N, R(·)為可逆變換的重排變換函數， 若R(i，j) = (i, j)則為一致變換。如圖4、5所示，以ー個8X8編碼塊為例，直線I表示分割邊界方向，灰色塊表示位 于直線 上的像素，直線/與χ軸的夾角為ら逆時針方向為正，順時針為負。像素重排的目的 在于將沿分割邊界方向的像素移到水平方向或垂直方向，此時，當 r/4 <丨#丨<π 2時，采用 行循環移位，如圖4所示；當Iタ^ττ/4時，采用列循環移位，如圖5所示。假設原始像素位 置為《 =(〗Jf ,重排后的像素位置為《 = = OW/，m與Λ的關系可以用下式表示
權利要求
1.一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼的方法，其特征在于編碼包括以下步驟 步驟1、將輸入視頻圖像分割成若干矩形編碼塊；步驟2、分別對分割后的每一個矩形編碼塊執行步驟3到步驟8的操作； 步驟3、對選定的矩形編碼塊設定一組候選分割模式集合S， S = (SiJeQ)；步驟4、選取候選分割模式集合S中的一種分割模式Si對當前矩形編碼塊進行分割， 將矩形編碼塊分割成兩個不規則塊，并對這兩個不規則塊分別進行運動估計，獲得兩個不規則殘差塊，將這兩個不規則殘差塊合并成矩形殘差塊，并計算該分割模式Si的率失真代價；步驟5、選取分割模式集合S中所有的分割模式Si對當前矩形編碼塊進行分割，并計算各種分割模式Si所對應的率失真代價，并選取其中率失真代價最小的分割模式Si作為當前矩形編碼塊的最佳分割模式；步驟6、設當前矩形編碼塊大小為MxN，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編碼塊所對應的當前矩形殘差塊進行正交變換，得到由MxN個變換系數組成的非重排變換系數矩陣，并計算該非重排變換系數矩陣的率失真代價；步驟7、設當前矩形編碼塊大小為MxN，對采用最佳分割模式完成分割的該當前矩形編碼塊所對應的當前矩形殘差塊，根據其最佳分割模式對當前矩形殘差塊進行像素重排，得到重排矩形殘差塊，對重排矩形殘差塊進行正交變換，得到由MxN個變換系數組成的重排變換系數矩陣，并計算重排變換系數矩陣的率失真代價；步驟8、比較上述非重排變換系數矩陣和重排變換系數矩陣的率失真代價值，選取其中代價值最小的為當前矩形編碼塊的最終變換系數矩陣，對最終變換系數矩陣的系數進行量化、熵編碼后寫入碼流，同時將最佳分割模式信息和最終變換系數矩陣信息編入碼流； 解碼為前述編碼的逆過程。
2.如權利要求1所述的一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，其特征在于所述的候選分割模式包括不分割和幾何分割。
3.如權利要求2所述的一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，其特征在于所述的幾何分割是指采用一條曲線或直線將矩形編碼塊分割成兩個區域，分割線與矩形編碼塊邊界交叉于兩點。
4.如權利要求2所述的一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，其特征在于所述的像素重排是根據幾何分割的分割邊界方向，對當前大小為MXN的矩形殘差塊中的像素點進行重排，將沿分割邊界方向的像素進行坐標置換后移至水平方向或垂直方向，其中，像素點坐標(i，j)的坐標變換公式為R(i，j) = (k, 1)，其中0<i<M，0 ^ j < N, O^k <M, 0 ^ 1 < N, R(·)為可逆變換的重排變換函數，若R(i，j) = (i, j)，則為一致變換。
全文摘要
本發明一種基于幾何分割的視頻圖像編解碼方法，編碼時先將視頻圖像分割成若干矩形編碼塊，然后對矩形編碼塊進行幾何分割；再對幾何分割后的不規則塊分別進行運動估計，獲取各自的殘差塊，將該不規則塊所對應的殘差塊合并成矩形殘差塊；利用幾何分割的邊界方向信息，對所述矩形殘差塊中的像素點坐標進行重排；最后，對重排后的矩形殘差塊進行二維正交變換、對變換系數進行量化及熵編碼，同時將幾何分割信息及重排信息編入碼流；解碼為前述編碼過程的逆過程。本發明在編碼時利用幾何分割的方向信息，對殘差塊進行像素重排，減少了正交變換后的高頻非零系數，提高了壓縮效率。
文檔編號H04N7/26GK102547290SQ20121001825
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者葉驍勇, 張紹游, 張貽雄, 石江宏 申請人:廈門大學