专利名称：半像素与四分之一像素插值滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于数字视频压缩领域，具体涉及到帧间块预测。
背景技术：
数字视频是通过对时域和空域连续的自然场景进行时域和空域连续采样所得。如
图1所示，数字视频由一系列时域上的视频帧所组成，每个视频帧表示自然场景在某个时间的空域采样，它由ニ维均匀采样的视觉像素组成。每个像素由一系列描述像素亮度和色彩的数字组成，在视频编码中，最广泛被使用的格式是YUV格式，这种格式中，每个像素由一个亮度分量Y，两个色差分量U和V组成，一般对U和V分量水平和垂直方向各进行一次下采样，这样每相邻的4个像素共用I个U和V分量，这就是YUV4:2:0格式。视频数据的位深bitd印th —般为8或8以上，如8、10、14等。也就是说，Y或U、V分量的数据用bitd印th位ニ进制整数表示，其动态范围为
,在本文中,动态范围的最大值表不为 MAXV = (I << bitdepth)_l。最广泛被使用的视频编码技术是块基混合运动补偿DCT变换视频编码技术。如图2所示，输入帧被劈分成ー个个16x16的宏块，然后从左到右，从上到下依次进行编码。对每个输入的待编码当前宏块，首先从重构的帧中选择ー个对当前块的预测，并与当前块相減，残差依次执行DCT变换、量化，然后反量化、反DCT变换得到重构宏块，存入重构帧序列中，用于对其后编码的宏块产生预测信号。在实际的预测过程中，宏块常常被分割成更小的8x8或4x4块来进行精确的预測。当编码第一帧时，如图3所示，图中黑色的部分是已编码并已重构的宏块区域，灰色的是当前待编码宏块，白色的部分是未编码宏块区域。当前待编码的宏块的预测只能从黒色的区域选择。当前最流行的帧内预测技术，如图4所示就是4x4块的帧内预测模式示意图。将ー个宏块分割为16个4x4块，或4个8x8块或I个16x16块，然后使用仅当前块的相邻像素如图4中4x4块左边和上边的A-L，依照一定的方向产生ー个预测块，图4所示是9种预测模式。当A-L如图5所示赋值时，各个模式产生的预测块如图5所示。8x8块和16x16块的帧内预测过程也大致类似于此。当编码接下去的帧的时候，由于有前面的重构帧存在，帧间预测成为可能。如图6和7所不，时间为t的巾贞中的黑色块是当如待编码块，t-tO巾贞和t+tl巾贞都是重构巾贞，t0和tl是非零整数。图6所示是单向预测，在重构帧t-tO中围绕当前块位置的ー个范围进行运动估计，找到与当前块匹配的块，即图6所示深灰色的块，将其与作为当前块的预測。图7所示是双向预测。在t-tO和t+tl帧中进行运动估计，得到最好的两个预测块，将这两个预测块的加权和作为当前块的预测块。表示当前块与预测块之间偏移量的叫运动向量，由于运动本身是连续的，所以运动向量可能指向非整数位置。但是因为编码过高的精度需要消耗很多比特，所以实际的视频编码中一般最多用到四分之一像素。由于分数像素位置的像素是不存在的，所以它们需要被计算出来以作为预测块。如图8所示:方框和大写字母表示的是整数像素样点，圆圈和小写字母表示的是二分之一或四分之一像素样点，即子像素样点。每个子像素样点有ー个子像素位置坐标，如子像素样点a、b和c的垂直方向坐标即y坐标都是O，而水平方向坐标即X坐标分别是1/4，2/4和3/4这些子像素样点和整数像素样点位于同一水平线上。子像素样点d、h和n的X坐标都是O，y坐标分别是1/4，2/4和3/4，它们和整数像素样点位于同一条垂直线上。在本专利中，称X或y坐标其ー为O的子像素点为第一类子像素点，而其余的子像素样点的X和y坐标则都非零，它们称为第二类子像素点。在当前正在制定的国际视频编码标准ffiVC中，对所有的子像素样点，其插值采用如下3组8抽头滤波器得出:四分之一像素位置:-1,4,-10，57，19，-7,3, -1半像素位置:-1,4,-11，40，40，-11，4，-1四分之三像素位置:-1,3,-7，19，57，-10,4, -1其中四分之三像素的插 值滤波器是四分之一像素的插值滤波器的转置。四分之一和四分之三像素插值滤波的计算过程都需要进行8次载入操作并进行12次加減法操作，其复杂度较高。对于第一类子像素位置a、b、c、d、h和n，其插值计算过程对与其位于同一行或同一列的整数像素直接应用相应的插值滤波器得到:a1 = -E+4XF-10XG+57XA+19XB-7XH+3X1-J a = clip((a1+32) >>6)b1 = -E+4XF-1lXG+40X A+40XB-1lXH+4X 1-J b = clip((b1+32) >>6)c1 = -E+3XF-7XG+19XA+57XB-10XH+4X1-J c = clip (((^+32) > > 6)d1 = -K+4XL-10XM+57XA+19XC-7XN+3XP-R d = clip ((^+32) >>6)h1 = -K+4XL-1lXM+40 X A+40 X C-1I XN+4XP-R h = clip ((^+32) >>6)n1 = -K+3XL-7XN+19XA+57XC-10XN+4XP-R n = clip ((^+32) >>6)
0 if(x < 0)其中clip 表示剪切操作，即:clip(x) = < X ^(X 2 0)且(x く MんYF)。
MAXV if(x > MAXV)第二类子像素样点的计算则需要两次插值过程。下面以子像素位置e、i和p为例说明其计算过程。首先根据子像素样点的X坐标取水平方向插值滤波器。对于子像素位置e、i和P，其X坐标都是1/4，所以取四分之一像素插值滤波器。首先根据四分之一像素插值滤波器进行水平方向插值，计算出子像素位置!!、^^^、!!!、ハゲ和Z的值。为了保证第二次插值的精度，第一次插值过程并不进行最終結果的计算。如其中W计算如下:W1 = -U+4 XV-10X ff+57 X M+19 X X_7 X Y+3 X Z-Q由于第一次插值的结果需要存储在一个缓冲区中以备第二次插值使用，为了降低存储和通信的花费，第一次插值的结果被剪切到15位精度有符号数，以w为例，即W2 = (w1>> xshft)-0x2000,其中 xshft = bitdepth+6-14。然后根据子像素位置的y坐标取插值滤波器。e、i和p的y坐标分别是1/4、2/4和3/4,所以分别对子像素位置U、V、W、a、m、x、y和z应用四分之一、二分之一和四分之三滤波器，即可得到e、i和p的值。e、i和p的计算如下:e1 = -u2+4 Xv2-1OX w2+57 X a2+19 X m2_7 X x2+3 X y2-z2e = clip ((e1+ (I くく (yshft-1)) +0x80000) >> yshft)i1 = -u2+4 X v2-1 I X w2+40 X a2+40 X m2-l I X x2+4 X y2-z2
i = clip ((i1+ (I くく (yshft-1)) +0x80000) >> yshft)p1 = -u2+3 X n2-1 Xw2+19X a2+57 Xm2-1OX x2+4 X y2-z2p = clip ((p1+ (I くく (yshft-1)) +0x80000) >> yshft)其中yshft = 12-xshft。本专利提出一组新的半像素、四分之一及其相应的四分之三像素插值滤波器，和当前用于ffiVC的最优插值滤波器相比，本专利所描述的滤波器不仅具有更低的计算复杂度，而且具有略微更高的编码性能。
发明内容
本发明所描述的一系列四分之一像素插值滤波器如图10所示。它们都是图12所示最优浮点滤波器的整数近似。图10所述四分之一像素插值滤波器全部满足以下三条特征:1.优良的编码性能。全部具有优于当前已知的HEVC插值滤波器的性能。2.较小的相移误差。对于八抽头或七抽头滤波器来说，相移误差由下式计算:
权利要求
1.一种视频图像亚像素插值的方法，其特征在干: 1)根据子像素的坐标选择插值计算的方式，如果当前子像素与整数像素位于同一行(如图8中子像素a、b和c)或同一列(如图8中子像素d、h和n)上(即第一类子像素)，那么根据子像素在相应的行或列上的坐标选择相应的子像素插值滤波器，应用于对应行或列整数像素上计算得出。
2)如果当前子像素既不与整数像素位于同一行，也不与整数像素位于同一列(即第二类子像素)，那么子像素的插值计算由2步完成，首先根据子像素的水平方向坐标选择相应的子像素插值滤波器，应用于整数像素行进行水平滤波计算，得到与当前子像素位于同一列，并和整像素位于同一行的第一类子像素的值，并将结果剪切至14位精度或13位精度；然后根据当前子像素的垂直方向坐标，选择相应的子像素插值滤波器，应用于和当前子像素位于同一列的第一类子像素，进行垂直滤波计算，得到当前子像素的值。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在计算第一类子像素的值时，如果其坐标为四分之一，其计算所选择的插值滤波器为说明书附图10所列的任意ー种；当第一类子像素的坐标为四分之三时，其计算所选择的插值滤波器为说明书附图10所列的任意一种的转置；当第一类子像素的坐标为二分之ー时，其计算所选择的插值滤波器为说明书附图9所列的任意ー种。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在计算第二类子像素的值时，如果其水平方向坐标为四分之一，那么第一步计算所使用的水平方向滤波器为说明书附图10所列的任意ー种；如果第二类子像素的水平方向坐标为四分之三，那么第一步计算所使用的水平方向滤波器为说明书附图10所列的任意一种的转置；如果第二类子像素的水平方向坐标为二分之ー时，其计算所选择的插值滤波器为说明书附图9所列的任意ー种。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在计算第二类子像素的值时，如果其垂直方向坐标为四分之一，那么第二步计算所使用的垂直方向滤波器为说明书附图10所列的任意ー种；如果第二类子像素的垂直方向坐标为四分之三，那么第二步计算所使用的垂直方向滤波器为说明书附图10所列的任意一种的转置；如果第二类子像素的垂直方向坐标为二分之一，其计算所选择的插值滤波器为说明书附图9所列的任意ー种。
全文摘要
本发明公开了一种用于视频编码中半像素、四分之一和四分之三子像素插值的插值滤波器。与当前最优的插值滤波器相比，本发明所描述的插值滤波器在降低计算复杂度的同时提高了编码性能。
文档编号H04N7/26GK103139561SQ20111039907
公开日2013年6月5日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者朱洪波 申请人:朱洪波