本發(fā)明屬于高效視頻編碼(hevc)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于隨機(jī)訓(xùn)練集自適應(yīng)學(xué)習(xí)的低復(fù)雜度視頻編碼方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著高清、超高清視頻(分辨率達(dá)4k×2k、8k×4k)應(yīng)用走進(jìn)人們的視野，視頻壓縮技術(shù)受到了巨大的挑戰(zhàn)。此外，各式各樣的視頻應(yīng)用也隨著網(wǎng)絡(luò)和存儲技術(shù)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)。視頻應(yīng)用的多樣化和高清趨勢對視頻壓縮性能提出了更高的要求。為此，2010年4月itu-t的視頻編碼專家組(vceg)和iso/iec的運(yùn)動圖像專家組(mpeg)成立了視頻編碼聯(lián)合組(jct-vc)，聯(lián)手制定新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在2013年完成了高效視頻編碼hevc(highefficiencyvideocoding)標(biāo)準(zhǔn)，其也稱為h.265。相比之前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)h.264/avc,hevc標(biāo)準(zhǔn)的編碼效率相比之前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有了顯著提高，但同時(shí)編碼的復(fù)雜度也大幅度提高，尤其是靈活的塊劃分導(dǎo)致的模式選擇復(fù)雜度成倍增加。hevc為圖像劃分定義了更靈活的塊劃分模式，包括編碼單元(cu)、預(yù)測單元(pu)、變換單元(tu)。hevc中的cu尺寸有64×64，32×32、16×16、8×8，記為2n×2n，其中n＝32,16,8,4。其中64×64的cu被定義為最大編碼單元(lcu),采用四叉樹劃分結(jié)構(gòu)，每個(gè)lcu能夠遞歸的劃分成4個(gè)大小相等的cu，直到最小的cu(8×8)。為了找到最優(yōu)化的cu劃分方案，編碼器必須要考慮所有的劃分情況。圖1展示了一個(gè)lcu如何被劃分成不同尺寸的cu模式。每個(gè)cu都有關(guān)聯(lián)的pu,其中pu是幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測的基本單元，一切與預(yù)測相關(guān)的信息都定義在pu中。圖2給出了幀內(nèi)預(yù)測的pu劃分模式。對于一個(gè)2n×2n的cu，其對應(yīng)的幀內(nèi)預(yù)測單元pu劃分模式有兩種：2n×2n和n×n，其中的n×n模式只有當(dāng)cu為最小的8×8尺寸才會使用，其它尺寸的cu只使用2n×2n的pu模式。標(biāo)準(zhǔn)的hevc視頻編碼遍歷各種cu和pu劃分模式，采用率失真優(yōu)化(rdo)技術(shù)從眾多模式中選取率失真代價(jià)最小的模式作為最佳模式。因?yàn)閔evc編碼器需要遍歷所有可能的cu和pu，這個(gè)遍歷過程的復(fù)雜度較高，計(jì)算量太大，給實(shí)時(shí)視頻編碼帶來了困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有hevc視頻編碼復(fù)雜高的缺點(diǎn)，提出了一種基于隨機(jī)訓(xùn)練集自適應(yīng)學(xué)習(xí)的低復(fù)雜度視頻編碼方法，通過簡化cu和pu劃分模式的判定方法及其率失真代價(jià)的計(jì)算量，在保證編碼質(zhì)量的同時(shí)降低編碼的復(fù)雜度，尤其適用于快速實(shí)時(shí)視頻編碼的場合?，F(xiàn)有的快速編碼方法較多地依賴于對每一種視頻的特征作參數(shù)的提取和定義，不同的視頻往往需要通過多次嘗試和比較來確定參數(shù)的值。相比之下，本發(fā)明方法能夠根據(jù)不同的視頻自適應(yīng)地學(xué)習(xí)視頻編碼參數(shù)，并將這些特征應(yīng)用到后續(xù)的快速編碼幀中，大大提高了視頻編碼方法的普適性。

本發(fā)明包括學(xué)習(xí)編碼方法和快速編碼方法，其特征在于幀內(nèi)編碼時(shí)將視頻序列按幀率進(jìn)行分組，每組視頻的前二幀為學(xué)習(xí)編碼幀，用于參數(shù)學(xué)習(xí)，后續(xù)幀為快速編碼幀，根據(jù)學(xué)習(xí)編碼幀得到的參數(shù)，優(yōu)化幀內(nèi)編碼中的cu(編碼單元)判定方法和pu(預(yù)測單元)判定方法。cu的最小尺寸為8×8，對于非最小尺寸的cu,判斷提前結(jié)束cu劃分或者跳過當(dāng)前cu的率失真計(jì)算作直接劃分。而在作幀內(nèi)預(yù)測時(shí)，對于最小尺寸的cu，其對應(yīng)的pu劃分模式有2n×2n和n×n；而其它尺寸的cu只有2n×2n一種模式,所以對最小尺寸的cu，對其作pu劃分模式的優(yōu)化。

學(xué)習(xí)編碼幀的編碼方法是：

步驟(1)、學(xué)習(xí)編碼幀第一幀用于計(jì)算閾值τn，對于每個(gè)2n×2n大小的cu，隨機(jī)選取nn個(gè)像素對作為訓(xùn)練集合，計(jì)算不同尺寸cu的每個(gè)像素對的灰度差均值τn；

步驟(2)、學(xué)習(xí)編碼幀第二幀用于計(jì)算閾值tr1n、tr2n和rd1_trn、rd2_trn,對于每個(gè)2n×2n大小的cu，隨機(jī)選取nn個(gè)像素對組成訓(xùn)練集，分別記錄不劃分和劃分cu塊中像素對灰度差大于閾值τn的個(gè)數(shù)qk,n，取所有qk,n的平均值作為各尺寸cu不劃分的閾值tr1n和劃分閾值tr2n；同時(shí)，分別記錄各尺寸cu不劃分和劃分情況下的率失真代價(jià)的均值，得到各尺寸cu率失真代價(jià)的閾值rd1_trn和rd2_trn。

對于最小尺寸cu對應(yīng)的pu劃分模式，其所有的閾值計(jì)算方法與上述cu劃分的閾值計(jì)算方法相同。

快速編碼幀的編碼方法:

步驟(i)、從cu中隨機(jī)選取nn個(gè)像素對，求每個(gè)像素對的灰度差值，將其與步驟(1)得到的閾值τn做比較，計(jì)算大于τn的像素對的個(gè)數(shù)qk,n；將qk,n與步驟(2)得到的閾值tr1n和tr2n進(jìn)行比較，把cu分為三類：i類、ii類和iii類；

步驟(ii)、根據(jù)cu分類結(jié)果，對非最小尺寸的cu，對cu劃分模式作優(yōu)化；對最小尺寸的cu，將其對應(yīng)的pu劃分模式作優(yōu)化。其中：

如果cu為i類，若率失真代價(jià)小于閾值rd1_trn，對于非最小尺寸的cu,提前結(jié)束cu劃分；否則，當(dāng)前cu劃分為4個(gè)子cu并計(jì)算每個(gè)子cu的率失真代價(jià)，再判定當(dāng)前cu是否劃分。若率失真代價(jià)小于閾值rd1_trn，提前判定最小尺寸的cu對應(yīng)的pu劃分模式為2n×2n，跳過后續(xù)的n×n大小的pu劃分模式計(jì)算；否則，計(jì)算pu模式為n×n的率失真代價(jià)，再判定pu模式。

如果cu為ii類，對于非最小尺寸cu，先計(jì)算把它劃分為四個(gè)子cu后每個(gè)子cu的率失真代價(jià)，當(dāng)這四個(gè)子cu的率失真代價(jià)之和小于閾值rd2_trn時(shí)，則跳過當(dāng)前cu的率失真代價(jià)計(jì)算直接判定當(dāng)前cu劃分為四個(gè)子cu；否則，計(jì)算當(dāng)前cu的率失真代價(jià)，再判定當(dāng)前cu是否劃分。對于最小尺寸cu，當(dāng)其對應(yīng)的pu劃分為四個(gè)子pu的率失真代價(jià)之和小于閾值rd2_trn時(shí)，則跳過2n×2n的pu率失真計(jì)算，直接判定pu劃分模式為n×n；否則，計(jì)算pu劃分模式為2n×2n的率失真代價(jià)，再判定pu模式。

如果cu為iii類，則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的hevc視頻編碼。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明的基本原理是對每組視頻幀的前二幀進(jìn)行正常編碼，提取hevc視頻編碼參數(shù)。然后從第三幀視頻編碼開始，利用前二幀獲得的cu劃分和pu劃分的閾值信息，對cu采取提前結(jié)束劃分或者跳過當(dāng)前cu的率失真代價(jià)計(jì)算作直接劃分的策略，以及對最小尺寸cu對應(yīng)的pu模式作提前判定或者跳過當(dāng)前pu的率失真代價(jià)計(jì)算作直接模式判定的策略，使得視頻編碼的運(yùn)算復(fù)雜度降低，大大節(jié)省了視頻編碼的時(shí)間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，在保持視頻編碼質(zhì)量的前提下，使用本發(fā)明的低復(fù)雜度方法比標(biāo)準(zhǔn)hevc編碼方法能夠在視頻編碼時(shí)間上節(jié)省40％以上，大大提高了視頻編碼的效率。此外，本發(fā)明提出的方法是一種自適應(yīng)的編碼方法，能夠針對不同的視頻，通過學(xué)習(xí)編碼幀提取其編碼特征并應(yīng)用到后續(xù)的快速編碼幀中，這使得本發(fā)明提出的編碼方法具有良好的靈活性和適用性。

附圖說明

圖1為hevc的cu劃分模式示意圖；

圖2為hevc幀內(nèi)預(yù)測的pu劃分模式示意圖；

圖3為2n×2n的cu劃分成四等塊的示意圖；

圖4為本發(fā)明編碼流程圖；

圖5為學(xué)習(xí)編碼幀的編碼流程圖；

圖6為快速編碼幀的編碼流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1-6所示，基于隨機(jī)訓(xùn)練集自適應(yīng)學(xué)習(xí)的低復(fù)雜度視頻編碼方法，采用hevc視頻編碼的hm模型，測試條件使用jct-vc制定的hevc視頻編碼通用測試條件(jctvc-h1100)，使用hm模型自帶的高效視頻編碼的全幀內(nèi)編碼配置文件encoder_intra_main.cfg。

圖4所示為本發(fā)明總的編碼流程圖，對每個(gè)視頻序列編碼前，先將視頻序列按幀率進(jìn)行分組，每組視頻的前二幀為學(xué)習(xí)編碼幀，運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的hevc編碼方法，遍歷所有2n×2n(n＝32,16,8)的cu劃分模式和2n×2n(n＝4)的最小尺寸cu對應(yīng)的pu劃分模式，獲取視頻編碼參數(shù)并將其運(yùn)用到后續(xù)的快速編碼幀以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度編碼。如圖5所示，學(xué)習(xí)編碼幀的編碼步驟是：

步驟(1)、學(xué)習(xí)編碼幀第一幀用于訓(xùn)練閾值τn，對于每個(gè)2n×2n大小的cu，隨機(jī)選取nn個(gè)像素對，計(jì)算不同cu大小下的像素對灰度差均值τn，其中像素對的選擇方法為：

從cu中隨機(jī)選取nn對像素對，其中，每對像素對分別位于不同的四個(gè)劃分塊區(qū)域內(nèi)，且像素點(diǎn)在子塊區(qū)域內(nèi)的位置服從二維泊松分布。對一個(gè)尺寸為的2n×2n的cu,如圖3所示,cu區(qū)域可以預(yù)劃分為四個(gè)大小相等的子塊區(qū)域a、b、c、d，每個(gè)像素對分別位于不同的子塊區(qū)域，因此一共有6種組合，(a,b)、(a,c)、(a,d)、(b,c)、(b,d)、(c,d),各區(qū)域組合內(nèi)選取的像素對數(shù)是相同的。每個(gè)像素點(diǎn)在相應(yīng)的子塊區(qū)域內(nèi)服從關(guān)于中心點(diǎn)擴(kuò)散的二維泊松分布，以a區(qū)域?yàn)槔?，a區(qū)域中心坐標(biāo)為像素點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)的選取服從：

nn取值會根據(jù)cu大小進(jìn)行調(diào)整，對于一個(gè)尺寸2n×2n的cu,nn的取值為：

nn＝3×n×m(3)

上式m為正整數(shù)，通過m值來合理調(diào)整像素對數(shù)目。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定，m取值為3；

步驟(2)、學(xué)習(xí)編碼幀第二幀用于計(jì)算閾值tr1n、tr2n和閾值rd1_trn、rd2_trn。對于每個(gè)2n×2n大小的cu，隨機(jī)選取nn個(gè)像素對，對它們進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)得到閾值tr1n、tr2n和閾值rd1_trn、rd2_trn。其中閾值tr1n、tr2n的訓(xùn)練步驟為：

(2a).根據(jù)從cu內(nèi)隨機(jī)選取的nn對像素對和學(xué)習(xí)編碼幀第一幀得到的閾值τn，比較各像素對的灰度值差異，兩者灰度差大于τn時(shí)，δk,n取值為1，否則取值為0，計(jì)算式為：

上式g(i,j)和g(u,v)分別表示一個(gè)cu像素對位于坐標(biāo)位置(i,j)、(u,v)的像素點(diǎn)灰度值，τn為自適應(yīng)的灰度差閾值，通過第一幀學(xué)習(xí)得到。

(2b).計(jì)算隨機(jī)訓(xùn)練集nn中δk,n取值為1的像素對數(shù)目：

(2c).按照標(biāo)準(zhǔn)的hevc視頻編碼方法完成視頻幀的壓縮編碼,根據(jù)各尺寸cu劃分情況，計(jì)算學(xué)習(xí)編碼幀第二幀各cu尺寸下不劃分和劃分時(shí)qk,n的均值，分別作為閾值tr1n、tr2n。

閾值rd1_trn、rd2_trn的計(jì)算方法為：

對學(xué)習(xí)編碼幀第二幀進(jìn)行編碼的時(shí)候，根據(jù)各尺寸cu不劃分和劃分的情況，記錄不劃分和劃分情況下各尺寸cu的率失真代價(jià)并求其均值，分別記為mean_rd_nonsplitn和mean_rd_splitn。另外，分別統(tǒng)計(jì)出各尺寸不劃分與劃分cu的率失真代價(jià)，其最大值分別記為max_rd_nonsplitn和max_rd_splitn，其最小值分別記為min_rd_nonsplitn和min_rd_splitn。則尺寸為2n×2n的cu率失真代價(jià)閾值rd1_trn、rd2_trn為:

其中，α和β為調(diào)整參數(shù)，取值范圍為α∈[0,1]，β∈[0,1]，這里，通過實(shí)驗(yàn)測定，α取值為0.2，β取值為0.05。

對于最小尺寸cu對應(yīng)的pu劃分模式，其所有的閾值計(jì)算方法與上述cu劃分的閾值計(jì)算方法相同。

學(xué)習(xí)編碼幀的后續(xù)幀為快速編碼幀。如圖6所示，從每組視頻的第三幀開始是快速編碼幀，其編碼步驟是：

步驟(i)、從cu中隨機(jī)選取nn個(gè)像素對，通過像素對學(xué)習(xí)得到當(dāng)前cu的特征參數(shù)qk,n，計(jì)算方法與學(xué)習(xí)編碼幀的編碼步驟(2)中的(2a)和(2b)相同。將qk,n與閾值tr1n和tr2n進(jìn)行比較，把cu分為三類：i類、ii類和iii類，具體分類規(guī)則是：

步驟(ii)、根據(jù)cu分類結(jié)果，對非最小尺寸的cu，對cu劃分模式作優(yōu)化；對最小尺寸的cu，將其對應(yīng)的pu劃分模式作優(yōu)化；其中：

如果cu為i類，若率失真代價(jià)小于閾值rd1_trn，對于非最小尺寸的cu,提前結(jié)束cu劃分；否則，當(dāng)前cu劃分為4個(gè)子cu并計(jì)算每個(gè)子cu的率失真代價(jià)，再判定當(dāng)前cu是否劃分。若率失真代價(jià)小于閾值rd1_trn，提前判定最小尺寸的cu對應(yīng)的pu劃分模式為2n×2n，跳過后續(xù)的n×n大小的pu劃分模式計(jì)算；否則，計(jì)算pu模式為n×n的率失真代價(jià)，再判定pu模式。

如果cu為ii類，對于非最小尺寸cu，先計(jì)算把它劃分為四個(gè)子cu后每個(gè)子cu的率失真代價(jià)，當(dāng)這四個(gè)子cu的率失真代價(jià)之和小于閾值rd2_trn時(shí)，則跳過當(dāng)前cu的率失真代價(jià)計(jì)算直接判定當(dāng)前cu劃分為四個(gè)子cu；否則，計(jì)算當(dāng)前cu的率失真代價(jià)，再判定當(dāng)前cu是否劃分。對于最小尺寸cu，當(dāng)其對應(yīng)的pu劃分為四個(gè)子pu的率失真代價(jià)之和小于閾值rd2_trn時(shí)，則跳過2n×2n的pu率失真計(jì)算，直接判定pu劃分模式為n×n；否則，計(jì)算pu劃分模式為2n×2n的率失真代價(jià)，再判定pu模式。

如果cu為iii類，則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的hevc視頻編碼。