一种基于hevc的低计算复杂度视频编码方法

一种基于hevc的低计算复杂度视频编码方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法，通过对编码模式的快速选择、LCU的快速划分，充分利用了软件的高灵活性和定制硬件的高效性，提高了HEVC(H.265)的编码效率，降低了编码时间，提高了HEVC的实用性。
【专利说明】-种基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种视频编码方法，尤其涉及一种高效的HEVC视频编码方法。

【背景技术】
[0002] 数字视频压缩一项日常生活娱乐不可或缺的一项技术，像视频会议、安防和 娱乐等领域。由于目前高清视频日益增长的需求，目前高清视频分辨率已经从Ultra HD (1920x1080)到 Quad Full HD (4096x2048)和 Ultra HD (7680x4320)，帧率已经从 30FPS 到 60FPS甚至120FPS。下一代的视频编码方案HEVC应运而生。HEVC的目标就是提高压缩率， 降低网络带宽。目前HEVC和主流的H. 264相比能提高50%的压缩效率。编码效率的提高 时通过增加编码工具和预测模式等，带来的计算复杂度远远高于H. 264。
[0003] 帧内编码仅仅利用了数字视频信号在空间上的冗佘。帧内编码器适合低延迟的应 用。目前HEVC视频压缩用到的一个很重要工具就是RD (率失真），通过率失真代码来评判 模式的选取问题。但是使用RD0模型带来的一个问题就是需要遍历每一个可能的TO划分 和帧内预测模型。HEVC和H. 264相比，提高了大约42. 4倍的计算复杂度。因此，降低HEVC 的编码复杂度非常有必要。


【发明内容】

[0004] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于HEVC的低计算复杂度视频编 码方法，它能够弥补现有的HEVC RD0模型对于帧内预测算法带来的大量计算量的增加。
[0005] 本发明通过如下技术方案实现：
[0006] -种基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法，其应用于HEVC低计算复杂度的视 频编码系统，所述系统包括：复杂度控制模块和硬件层，所述复杂度控制模块包括检测和控 制模块，用于协调软件和硬件的工作效率，控制时钟、寄存器以及使能开关，加速步骤S2-S5 的处理速度；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0007] S1 :采集不同类型的视频，用于离线分析；
[0008] S2 :采用HEVC官方的编码方法对S1步骤采集的视频进行离线处理；
[0009] S3 :在硬件层进行视频特征提取，得到画面卷积、直方图信息和边缘检测信息； [0010] S4 :采用步骤S3得到的视频特征和步骤S2离线分析得到的数据估计预测单元PU 的大小；
[0011] S5 :基于梯度的方法的帧内预测模式选择，利用步骤S4得到的PU大小，获得边缘 检测结果，然后得到最优的模式，从而不需要遍历所有的模式。
[0012] 进一步地，所述步骤S1中的视频格式为YUV格式。
[0013] 进一步地，所述步骤S2中的编码仅采用率失真RD0模型的帧内编码。
[0014] 进一步地，所述步骤S3中提取的视频特征用于调节质量参数QP值和划分最大译 码单元IXU。
[0015] 进一步地，所述步骤S5中的梯度的方法具体为：根据坐标（X，y)的梯度值得到直 方图和最大概率的模式。
[0016] 本发明的有益效果是：本发明的基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法，通过对 HEVC帧内预测编码模式选取的优化，避免遍历方法，提高了 HEVC帧内预测编码在高清视频 编码领域的编码时间效率。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 图1是本发明的HEVC低计算复杂度的视频编码系统架构图；
[0018] 图2是本发明的快速帧内编码模式选择算法流程图；
[0019] 图3是不同QP值的视频内容的对压缩的影响示意图；
[0020] 图4是本发明的帧内预测LCU行分布到HW模块示意图；
[0021] 图5是本发明的方法与传统方法的效率对比图。

【具体实施方式】
[0022] 下面结合【专利附图】

【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0023] 如附图1所示，本发明的基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法所应用于HEVC 低计算复杂度的视频编码系统，该系统包括复杂度控制软件模块和硬件层，所述复杂度控 制软件模块包括检测和控制模块，用于协调软件和硬件的工作效率，控制时钟、寄存器以及 使能开关等。附图1中可以看出复杂度控制软件模块充分利用软件的灵活性和开发周期短 等特点，但也面临软件加速方法的局限性。附图1的右边是硬件层，待编码视频经过基本 信息读取Largest Coding Unit (IXU)，计算该IXU的方差，并把方差传入复杂度控制软件模 块。复杂度控制软件模块使用离线分析得到的参数获得Prediction Units(PU)的最佳划 分，并把得到的PU传入硬件层，利用硬件计算得到Edge Map，之后复杂度控制软件模块利用 该Edge Map计算得到HEVC中的预测模式中的方向（prediction mode)。得到PU和预测模 式是HEVC编码最耗时的部分，优化这部分也是近几年研究学者的主要工作。
[0024] 本发明的基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法，包括如下步骤：
[0025] 步骤S1 :不同视频的采集工作，即收集不同类型的高清视频，用来做离线分析。在 一个优选的实施例中，人工采集分类好的视频，比如分类十大类，包括风景、动漫、快速运动 等不同性质的高清YUV影片，选择YUV作为影片编码格式，这是因为YUV就是未编码的格 式，俗称裸视频，便于处理等工作。
[0026] 步骤S2 :视频的离线处理，即将步骤S1准备好的YUV视频使用HEVC官方的方法 进行离线处理（即采用RD0模型进行编码）。在该步骤中，编码选用的方式仅为帧内编码。 选取帧内预测编码方法的目的是为了探讨在帧内预测的情况下，预测模式的遍历带来的计 算量换来的压缩效率得不偿失，使用替代算法取代遍历更加高效和有效。
[0027] 步骤S3 :视频特征提取，使用VHDL描述硬件，使得硬件更加具体，能加速特定的应 用程序。在该步骤中，特征提取是为了在复杂度控制软件模块中能根据该特征调节优先选 择的QP值和划分LCU。该步骤需要计算的包括计算YUV视频的一帧画面的卷积和直方图和 做边缘检测。该步骤做所的工作能加速软件模块的模式选择和LCU划分。关于优选的QP值 的调节，IXU的划分，具体可以使用HEVC官方测试工具获取每一帧图像的QP和每一个IXU 的划分。
[0028] 步骤S4 :PU大小的估计，即使用步骤S3得到的特征和S2离线分析得到的数据估 计最可能的PU大小。对于TO大小的估计，一个大的块并且具有较多细节的一定需要进行 再划分来降低单个块的细节。如下面公式所示，一个大的PU需要重新划分为四个尺寸减半 的小的PU。其中B表示一个PU，下标表示该PU的尺寸。
[0029] B2nx2n = 4Bmn
[0030] HEVC巾贞内编码使用的是四叉树结构（quadtree-based coding structure)，从LCU 划分为四个等大小的CU或者一个cu。ro是预测单元，得到PU是使用Rate-Distortion (RD) cost，也叫做率失真代价。PU大小的计算过程不在本发明介绍范围内，因为该计算过程定义 在HEVC标准里，不属于本发明的范畴。
[0031] 步骤S5 :帧内预测模式选择，即HEVC(H. 265)帧内预测模式的选择：利用步骤S4 得到的PU划分好边缘检测结果，得到最优的模式。LCU划分得到CU和PU之后，每一个单 独的PU的位置信息（location)和宽度信息得到后，用来做边缘检测（Edge detect)。边 缘检测的具体计算过程由于过于繁杂，不列举，主要思想是计算帧内预测模式的直方图 (histogram)来得到最大概率的巾贞内编码方向模式（intra directional modes)。
[0032] 本发明通过共享内存的方式共享数据，达到检测的目的，利用进程间通讯（IPC) 和管道等技术协调各个进程，来加速步骤S2-S5的处理。
[0033] 本发明的原理如下进行TO估计的基本原理就是不同类型的视频QP(量化参数） 值有很大差异，相同视频同一帧画面内，"广阔"的地区PU尺寸大，相反，画面精细的区域TO 尺寸小。基于该原理，根据先验知识和检测到的视频特征，对该视频的PU尺寸做出预测，从 而不需要遍历所有的情况。
[0034] 附图2描述的算法用来进行快速的帧内模式选择，该算法那利用的思想是基于梯 度（gradient based)的快速模式选择。首先，对于PU内任意的像素点，计算X轴和Y轴方 向上的梯度值并分别记做Gx和Gy,根据Gx和Gy得到角度Θ，把得到的Θ放入哈希表。 所有的像素都得到Θ就进行降序排序，降序排序好的哈希表就可以得到Intra Mode Array (IMA)，IMA用来得到HEVC帧内预测编码的预测方向。
[0035] 本发明使用基于梯度的方法得到IMA，主要是使用了两个索贝尔算子（Sobel mask)来求梯度，分别用来求X轴方向的梯度和Y轴方向上的梯度。
[0036] 表一 ：Sobel masks
[0037]

【权利要求】
1. 一种基于HEVC的低计算复杂度视频编码方法，其应用于HEVC低计算复杂度的视 频编码系统，所述系统包括：复杂度控制模块和硬件层，所述复杂度控制模块包括检测和控 制模块，用于协调软件和硬件的工作效率，控制时钟、寄存器以及使能开关，加速步骤S2-S5 的处理速度；其特征在于，所述方法包括以下步骤： 51 :采集不同类型的视频，用于离线分析； 52 :采用HEVC官方的编码方法对S1步骤采集的视频进行离线处理； 53 :在硬件层进行视频特征提取，得到画面卷积、直方图信息和边缘检测信息； 54 :采用步骤S3得到的视频特征和步骤S2离线分析得到的数据估计预测单元PU的大 小； 55 :基于梯度的方法的帧内预测模式选择，利用步骤S4得到的PU大小，获得边缘检测 结果，然后得到最优的模式，从而不需要遍历所有的模式。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中的视频格式为YUV格式。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中的编码仅采用率失真RDO 模型的帧内编码。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中提取的视频特征用于调节 质量参数QP值和划分最大译码单元IXU。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5中梯度的方法具体为：根据 坐标（x，y)的梯度值得到直方图和最大概率的模式。
【文档编号】H04N19/11GK104065960SQ201410273295
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】何震宇, 陈明明, 刘伟, 张高伟 申请人:何震宇