系數數目自適應的量化參數差分編碼的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于視頻信號預測殘差變換系數的量化參數編碼方法。在本發明中，dQP和量化矩陣的選擇信號均條件于變換量化系數的數目，并傳輸于變換量化系數的后面。編碼器和解碼器通過約定一個固定的閾值，當若干連續的變換塊的非零量化系數數目超過這個閾值時，編碼器在編碼了這些非零量化系數之后，向碼流中編碼一個dQP或量化矩陣的選擇信號，表示這幾個連續的塊所使用的QP或量化矩陣。這樣解碼器就能通過累計非零量化系數數目并準確解碼dQP或量化矩陣的選擇信號。
【專利說明】系數數目自適應的量化參數差分編碼
【技術領域】
[0001]本發明屬于數字視頻壓縮領域，具體涉及到視頻信號預測殘差變換系數的量化參數的編碼。
【背景技術】
[0002]數字視頻是通過對時域和空域連續的自然場景進行時域和空域連續采樣所得。如圖1所示，數字視頻由一系列時域上的視頻幀所組成，每個視頻幀表示自然場景在某個時間的空域采樣，它由二維均勻采樣的視覺像素組成。每個像素由一系列描述像素亮度和色彩的數字組成，在視頻編碼中，最廣泛被使用的格式是YUV格式，這種格式中，每個像素由一個亮度分量Y，兩個色差分量U和V組成，一般對U和V分量水平和垂直方向各進行一次下采樣，這樣每相鄰的4個像素共用I個U和I個V分量，這就是YUV4:2:0格式。
[0003]最廣泛被使用的視頻編碼技術是塊基混合運動補償DCT變換視頻編碼技術，其中最有代表性的是MPEG和VCEG正在聯合制定的國際標準HEVC。如圖2所示，HEVC編碼器首先把輸入幀被劈分成一個個NxN (其中N為2的冪次，其最小為8，最大可以到64)的塊，稱為最大編碼單元(IXU)，然后從左到右，從上到下依次對IXU進行編碼。在HEVC中，基本的預測變換編碼單位稱為編碼單元(CU)，對于一個大小為2Nx2N的LCU，可以把它作為一個CU直接進行預測變換編碼，也可以把它以四分樹的方式劈分為4個大小為NxN的單元進行預測-變換-編碼，而對于每個NxN的單元，它也既可以作為一個⑶進行預測-變換-編碼，也可以繼續以四分樹的方式劈分為4個更小的單元進行編碼。圖3所示既是一個LCU的編碼劈分圖，圖中LCU被劈分為4個等尺寸CU，而4個CU中的第一個、第三個和第四個又分別進行了繼續的劈分。CU最小為8x8，最大可以和LCU等尺寸。對每個待編碼的CU，首先從已編碼的重構幀中計算出一個對當前塊的預測，并與當前塊相減，殘差依次執行DCT變換、量化，然后反量化、反DCT變換得到重構宏塊，存入重構幀序列中，用于對其后編碼的⑶產生預測信號。由于精確的DCT變換是浮點變換，所以實際中一般用DCT變換的整數近似或者KLT變換的整數近似來代替。
[0004]⑶的預測有2種，第一種是幀內預測，即只使用當前編碼幀的已重構的像素對當前CU進行預測。當前最流行的幀內預測技術是幀內方向預測技術。幀內方向預測直接以CU為單位進行。HEVC中所使用的角度幀內預測如圖4所示。圖4所示白色黑框塊是當前編碼⑶，左邊和上邊的灰色條帶是當前⑶左上的已重構像素，他們用來生成當前⑶的預測信號。每一個幀內方向預測模式說明一個當然的預測方向，對于如圖4所示編碼CU中的某一行或某一列(用豎狀網格表示)，根據預測方向找到左上重構塊中的相應的像素，如圖4中黑色像素塊所示，作為當前行或列的預測。圖4右側所示的列預測因為左邊靠上的重構像素不存在，所以在實際的預測開始前，需要根據當前預測方向從當前塊上邊的重構像素根據當前幀內預測方向映射過去，如圖5所示。在HEVC中共有33種不同的方向預測模式，如圖6所示。
[0005]CU的第二種預測是幀間預測，這時當前塊的預測從時域上在當前幀前或當前幀后的重構幀中的選取。在HEVC中，預測以預測單元(PU)為基本單位。一個2Nx2N大小的⑶有4種PU劃分模式，它既可以作為單一的執行運動補償，也可以分割成幾個分別執行不同的運動補償，如圖7所示。對于一個任意形狀的運動補償過程如圖8、圖9、圖10和圖11所不。顯不時間為t的幀是當如編碼幀，黑色塊是當如編碼塊。顯不時間為t_to、t-2*t0、t+t0幀是重構幀，其中具有點狀邊界的灰色塊是與當前編碼塊同一空域位置的塊。顯示時間為t-t0、t-2*t0、t+t0幀都可以作為當前編碼塊的預測。在圖8中，運動向量MVO指向當前塊的前向預測塊BLK0。在圖9中，運動向量MVl指向當前塊的后向預測塊BLK1。在圖10中，運動向量MV指向當前塊的前向預測塊BLKO，MV的反方向指向后向預測塊BLKl，BLKO和BLKl的平均作為當前塊的預測。在圖11中，運動向量MVO指向當前塊的前向預測塊BLK0，運動向量MVl指向當前塊的后向預測塊BLK1，BLKO和BLKl的平均作為當前塊的預測。在前向預測、后向預測和對稱預測中，只有一個運動參數(包括運動向量和參考圖像)需要編碼，而在雙向預測模式中，2個運動參數需要編碼。對于每種時域補償模式，編碼器通過率失真優化的運動估計過程得到最優的運動參數，并將其編入碼流。
[0006]在得到預測以后，將當前塊與預測塊相減，得到殘差塊，然后對殘差塊依次執行DCT變換或其他正交變換，然后量化、熵編碼，然后再反量化、反變換、和預測塊相加得到重構塊，并用于后續編碼塊的預測。在HEVC中，變換以變換單元(TU)為單位進行。對于幀內預測，TU與⑶同尺寸，即對一個2Nx2N大小的⑶，直接執行2Nx2N 二維可分離變換。對于時域預測，則使用變尺寸塊變換。這時TU的形狀依賴于I3U的形狀。在HEVC中，TU的形狀總是比PU要小，這樣變換不會穿越預測的邊界，但也降低了變換的靈活性。HEVC中所使用的四分樹結構變尺寸塊變換如圖12所示，一個2Nx2N的待變換單元可以有4種變換分割模式，即直接2Nx2N變換、2個2NxN變換、2個Nx2N變換、或者分割成4個NxN單元。4個NxN單元中的每一個都可以獨立進行四分樹結構的變尺寸塊變換。TU的最小單元是4x4。
[0007]對變換系數的量化需要使用量化參數(QP)，有時候還要使用加權量化矩陣。在當前HEVC的編碼中， 量化參數的傳輸發生在一個當然的尺寸的⑶之上，這個尺寸編碼在圖像或者片段之上。就是說，當⑶尺寸在MxM或之上且這個⑶內含非零量化系數時，編碼器傳輸一個量化參數的差分(dQP)，這樣解碼器就可以根據從前的QP和這個dQP計算出當前MxM尺寸或更大尺寸CU內部所有變換塊所使用的共同的QP。比如說，M為16時，如果一個⑶為32x32，且含非零變換系數，那么編碼器一定給這個⑶傳輸一個dQP。如果一個⑶為8x8且含非零變換系數，那么編碼器必須給包含它的16x16⑶傳輸一個dQP，這個16x16⑶內部所有8x8⑶都使用這個dQP。MxM尺寸或更大尺寸⑶，dQP在碼流中的位置從來都在非零變換系數之前。在HEVC中，量化矩陣傳輸于圖像或者片段級別，它并沒有LCU或者CU級別的自適應性。
[0008]由于視頻內容復雜度變化非常大，所以直接強制一個圖像或者片段全部只能在一個當然尺寸之上改變QP并不是一種高效的方法。本發明描述了一種更加靈活的dQP傳輸方法，它能提供更高的編碼效率。
【發明內容】
[0009]本發明第一個部分是在編碼器和解碼器之間有一個共同的整數值T，表示非零變換系數的數目，T ^ 2。這個值可以編碼在圖像或片段層，也可以直接由編碼器和解碼器約定一個缺省的值。
[0010]編碼器對連續的若干不同尺寸的塊Btl, B1，…UnM)實施DCT變換，然后對這些塊量化，設CfN(Bi)表示塊Bi的非零量化變換系數數目，當連續的幾個塊Btl, B1,…
Bnrl (m>0)量化產生的非零變換系數數目恰好達到T時，即:
【權利要求】
1.視頻編碼器使用一個QP對一組不同大小的變換塊Btl,實施量化。設CfN(Bi)表示塊Bi的非零量化系數數目，當且如果m大于I時有 Σ(^/Ν{/I)< T，編碼器在前m個塊編碼入碼流后，向碼流中寫入一個dQP，表示過去的連續m 個塊使用了這個QP。編碼器對連續的變換塊應用不同的QP，然后通過計算率失真花費選擇滿足解碼條件的最優組合編碼入碼流。
2.如權利要求1所述，T是編碼器和解碼器共同擁有的一個值，且T>2。T可以是缺省約定，也可以編碼于圖像或者片段層。
3.如權利要求1所述，相應的視頻解碼器連續的解碼變換塊。一旦累計的非零量化系數大于等于T，解碼器即從碼流中讀取一個dQP，然后計算出這組系數的QP。然后解碼器開始解碼下一組變換塊，并重新開始累計非零量化系數的數目，以確定解碼下一個dQP的位置。
4.編碼器和解碼器之間共同擁有若干加權量化矩陣QMtl,QM1,…QMw (t>l)，量化矩陣可以部分或全部的編碼在圖像或片段層，也可以部分或全部由編碼器和解碼器直接缺省約定。視頻編碼器使用一個QMi對一組不同大小的變換塊Btl, B1,…UnM)實施量
W-1化。設CfN(Bi)表示塊Bi的非零量化系數數目，當且如果m大于I時有
/=0Σ(:ΜΒ^)< Q，編碼器在前m個塊編碼入碼流后，編碼器繼續向碼流中寫入一個表示QMi的仁O索引符號，表示過去的連續m個塊使用了這個QMitl編碼器對連續的變換塊應用不同的量化矩陣，然后通過計算率失真花費選擇滿足解碼條件的最優組合編碼入碼流。
5.如權利要求4所述，Q是編碼器和解碼器共同擁有的一個值，且Q>2。Q可以是缺省約定，也可以編碼于圖像或者片段層。
6.如權利要求4所述，相應的視頻解碼器連續的解碼變換塊。一旦累計的非零量化系數大于等于Q，解碼器即從碼流中讀取一個索引以確定所用的加權量化矩陣。然后解碼器開始解碼下一組變換塊，并重新開始累計非零量化系數的數目，以確定解碼下一個加權量化矩陣索引的位置。
【文檔編號】H04N19/625GK103796015SQ201210425765
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月31日 優先權日:2012年10月31日
【發明者】朱洪波 申請人:朱洪波