HEVC/H.265编码器架构及其帧内与帧间的预测方法与流程

本发明属于视频通信技术领域，具体涉及一种新型hevc/h.265编码器架构及其帧内与帧间的预测方法。

背景技术：

在这个视频通信的年代，视频编码器的基本问题可以看作是如何在码率和失真两者之间进行折中，即：在给定的码率下，对原始数据进行编码以获得尽可能小的重建失真；或者是在给定的重建失真下，得到尽可能低的码率。为此，人们采用了很多新技术，如新的帧内预测算法、可变块大小运动补偿、支持1/4像素精度的运动矢量、率失真优化技术等。而取得压缩性能的提升，往往都是以增加大量的计算量为代价。

除此之外，现有技术中mpeg1/2/4、h.261/3/4/5、vc1、vp8/9等视频标准并没有明确地规定一个编解码器是如何实现的，而是仅仅规定了一个经过压缩的视频比特流的句法，和该比特流的解码方法。各个厂商的编码器和解码器在此框架下能够互通，在实现生活中具有较大的灵活性，而有利于相互竞争。

目前所有主流编码器采用的仍是预测编码、变换编码、熵编码三位一体的混合架构。其中预测编码部分都是利用重建帧做参考/预测，由预测块加上经过变换、量化、逆量化、逆变换后的残差重建块，得到当前编码块的重建块。但仅仅因为在解码端不存在原始帧这个原因大大限制了编码器架构的更新和突破。

因此需要新思路来提升编码压缩效率，即不增加计算量的前提下增加编码效率和提高图像的清晰度变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。

本发明要解决的技术问题之一在于需要新思路来提升编码压缩效率，即不增加计算量的前提下增加编码效率和提高图像的清晰度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新型hevc/h.265编码器架构及其帧内与帧间的预测方法。

所述新型hevc/h.265编码的帧内预测方法，包括：

对每一种帧内预测方向都进行如下计算：

首先，用预测方向和当前帧fn当前编码块的周边原始数据按着标准生成一个预测块p；其次，计算当前编码块和生成的预测块p的花销；然后，按照上述方法依次得到所有预测方向产生的花销，选择具有最小花销的预测方向作为当前编码块的最佳预测方向；

最后，用当前编码块和预测块p计算出残差块dn，将残差块dn沿着最佳预测方向进行熵编码。

所述新型hevc/h.265编码的帧间预测方法，包括：

首先，对当前帧fn的当前编码块在前面帧即参考帧f，n-1的原始yuv中进行运动估计得到运动矢量mv和参考索引值ref；

其次，利用运动矢量mv、参考索引值ref和参考帧f，n-1计算出预测块p；然后，用当前编码块和预测块p计算出残差块dn；

最后将残差块dn、运动矢量mv、参考索引值ref进行熵编码。

所述新型hevc/h.265编码器架构，可以使输入的当前帧fn通过上述方法处理，组成一个压缩后的码流，经nal供传输和存储，具体包括以下结构：

单hevc分为预测模式分析、变换和量化/反变换和反量化、重排序和熵编码三级流水；

在各hevc之间构建两级去耦信号环路(预测与熵编码)并在重建帧前设置了一环路滤波器以降噪。

具体的说，所述预测模式分析中又分为帧间预测和帧内预测小两级流水。

具体的说，所述前级hevc中mb反量化/反变换完成后产生预测去耦信号至下级hevc使其能帧内预测和帧间预测，下级hevc在收到预测去耦合信号前可经滤波重建帧。

具体的说，所述前级hevc中熵编码产生熵编码去耦合信号至下级hevc使其能熵编码。

与现有公开的技术方案相比，本发明具有的优势为：

利用输入原始帧作为参考/预测，提出一种新型编码器，在不增加任何计算量的前提下，能提高hevc/h.265编码器帧内预测方向和帧间运动估计的准确度，达到进一步提升编码器消除视频序列中图像的各种冗余信息的能力，提高图像的压缩效率和峰值信噪比psnr。

附图说明

图1所示为本发明新型hevc/h.265解码器架构框图；

图2所示为本发明新型hevc/h.265重建帧做参考的编码器架构框图；

图3所示为本发明新型hevc/h.265原始帧做参考的编码器架构框图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本发明方法的具体实施方式及效果。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1新型hevc/h.265解码器架构

解码器的功能组成如图1所示，由编码器的nal输出一个压缩后的比特流，经熵解码得到量化后的一组变换系数，再经反量化与反变换后得到残差块d’n。利用该比特流中解码出来的头信息，使解码器产生一个预测块p，它和编码器中的预测块p是相同的。当该解码器产生的预测块p与残差块d’n相加后，就产生μf’n，再经滤波，最后就得到重建f’n，这个f’n就是最后解码输出的图像。

由上图可知，在解码端只有压缩过的比特流和重建帧，这样我们就可以理解了为什么在编码器中都是用其它帧的重建帧作为参考帧，或者当前帧的重建块数据作为预测块，因为在解码端不存在原始帧，也就是这个原因限制了编码器架构的更新和突破。

实施例2新型hevc/h.265重建帧做参考的编码器架构

新型hevc/h.265编码器采用的仍是三合一混合编码架构。如图2所示，输入的当前帧fn以各种尺寸的矩阵为单位被编码器处理。首先，按帧内或帧间预测编码的方法进行处理，如果采用帧内预测编码，其预测块p是由当前帧fn中当前块周边位置的重建块像素点，按着一定的规则生成的预测块；如果采用帧间预测编码，其预测块p是由运动矢量mv指向的前面帧的重建帧f’n-1中的矩阵，如果运动矢量是亚像素值，那么需要对指向的重建块进行运动补偿mc生成预测块p；预测块和当前块相减后，产生一个残差块dn，残差块dn经过变换和量化后产生一组量化后的变换系数x，与编码所需要的其它信息(例如预测模式、量化步长、参考帧序号、运动矢量等)经过熵编码组成一个压缩后的码流，经nal供传输和存储用。

为了提供预测用的参考图像，编码器必须有重建图像的功能。因此必须使残差图像经反量化、反变换后得到的残差重建块d’n与预测值p相加，得到μf’n(未经滤波的帧)。为了去除编码解码环路中产生的噪声，提高参考帧的图像质量，从而提高压缩图像性能，设置一个环路滤波器，滤波后的输出即为重建图像f’n，可用作参考图像。

实施例3新型hevc/h.265原始帧做参考的编码器架构

针对目前编码器结构上的不足，新型hevc/h.265编码器架构做出以下两处改进：

1、帧内预测，如图3所示，首先，对每一种帧内预测方向都进行如下计算，用预测方向和当前帧fn的当前编码块周边原始数据按着标准生一个预测块p；其次，计算当前编码块和这个生成的预测块p的花销；然后，依次得到所有预测方向产生的花销，选择具有最小花销的预测方向作为当前块的最佳预测方向。接着利用最佳预测方向和重建块计算出预测块p，再用当前编码块和预测块p计算出残差块dn。最后将残差块dn沿着最佳方向进行熵编码。

2、帧间的运动估计me，如图3所示，首先对当前帧fn的当前块在前面帧f’n-1的原始yuv中进行运动估计me得到运动矢量mv、参考索引值ref等；其次，利用运动矢量mv、参考索引值ref和参考帧f’n-1计算出预测块p，再用编码块和预测块p计算出残差块dn。最后将残差块dn和mv、参考索引值ref等信息进行熵编码组成一个压缩后的码流，经nal供传输和存储用。

新编码器架构为了提供预测用的参考图像，新编码器必须有重建图像的功能。因此必须使残差块dn经量化、变换，再经反量化、反变换后得到的残差重建块d’n与预测块p相加，得到μf’n(未经滤波的块)。为了去除编码解码环路中产生的噪声，设置一个环路滤波器，μf’n滤波后的输出即为重建图像f’n，可用作为后面帧的参考图像f’n-1。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。