新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC幀間預(yù)測(cè)插值濾波技術(shù)

吳笛++任李

摘要：新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC（High Efficiency Video Coding-高效率視頻編碼）目前采用基于DCT的插值濾波技術(shù)（DCTBased Interpolation Filter（DCTIF）），與傳統(tǒng)濾波器相比，在降低復(fù)雜度的同時(shí)，其壓縮性能獲得了較大提升。由于DCTIF技術(shù)提案理論部分論述較少，且沒(méi)有與傳統(tǒng)編碼濾波技術(shù)作實(shí)驗(yàn)對(duì)比。為此，詳細(xì)闡述了DCTIF濾波原理，分析了插值計(jì)算過(guò)程和濾波系數(shù)的計(jì)算。同時(shí)，對(duì)H.264/AVC傳統(tǒng)濾波以及定向自適應(yīng)插值濾波器（DAIF）和DCTIF作了對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于各種分辨率的視頻，比較H.264/AVC傳統(tǒng)插值濾波和定向自適應(yīng)插值濾波器（DAIF），碼率分別平均降低了42.15%和35.47%。

關(guān)鍵詞：高效率視頻編碼；DCT插值濾波；碼率； 定向自適應(yīng)插值濾波器；H.264/AVC

DOIDOI：10.11907/rjdk.151899

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）008001903

0 引言

新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC（High Efficiency Video Coding）[1]，其核心目標(biāo)是在H.264/AVC high profile[2]的基礎(chǔ)上，壓縮效率提高一倍，即在保證相同視頻圖像質(zhì)量的前提下，視頻流的碼率減少50%。在提高壓縮效率的同時(shí)，可以允許編碼端適當(dāng)提高復(fù)雜度。

HEVC根據(jù)高分辨率視頻的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧低分辨率視頻，采用基于DCT的插值濾波器（DCTIF）。該濾波器具有以下特性：①濾波器能夠通過(guò)整數(shù)位置已重建像素直接通過(guò)差值準(zhǔn)確地計(jì)算出任何分?jǐn)?shù)位置的像素；②由于濾波器采用無(wú)級(jí)聯(lián)方式，不僅簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程，同時(shí)也降低了計(jì)算復(fù)雜度；③濾波器對(duì)于更精確分?jǐn)?shù)位置的像素，如1/8，1/12等采用與半像素及1/4像素統(tǒng)一的濾波方式，算法具有較好的擴(kuò)展性。

1 DCTIF插值濾波計(jì)算過(guò)程

1.1 分?jǐn)?shù)像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)

目前，通過(guò)HEVC測(cè)試軟件HM11.0[3]，對(duì)于低復(fù)雜度和高效率兩種編碼模式采用統(tǒng)一的8抽頭DCT-IF。任意α∈[-（M-1），M]（M為整數(shù)），分?jǐn)?shù)位置像素值P（α）為：

P（α）=（∑Mm=-M+1Refm×fm（α）+2Q-1）>>Q（1）

上式中，M為濾波器抽頭數(shù)的一半，Refm為一維濾波的輸入，即整數(shù)位置像素值組成的向量Ref-M+1， Ref-M+2，…，RefM，fm（α）表示位于Ref0和Ref1之間α分?jǐn)?shù)位置像素的濾波系數(shù)，Q為濾波系數(shù)所用的比特?cái)?shù)。增大Q的值可以更加精確地表示濾波系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)增加所需的內(nèi)存容量和傳輸帶寬。

1.2 插值計(jì)算過(guò)程

DCTIF是二維可分離濾波器，圖1為圖像像素亮度分量的四分之一像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)，8抽頭DCT-IF濾波示意圖，深色部分為整數(shù)位置像素，Q=6。

具體步驟如下：（1）水平分?jǐn)?shù)位置像素a、b、c通過(guò)一維水平DCT-IF濾波器，由下式計(jì)算得到：

式中，x，y表示像素坐標(biāo)，f（x，y）（14）、f（x，y）（24）、f（x，y）（34）分別表示在14、24、34位置像素的8抽頭DCT-IF濾波系數(shù)。（2）垂直分?jǐn)?shù)位置像素d（x）、h（x）、n（x）通過(guò)一維垂直DCT-IF濾波器，由下式計(jì)算得到：

由上述插值計(jì)算過(guò)程可以看出，與AIF和DAIF對(duì)每個(gè)像素單獨(dú)進(jìn)行濾波計(jì)算不同，DCTIF對(duì)于任意分?jǐn)?shù)位置像素，均采用同樣模式的一維濾波器進(jìn)行插值計(jì)算，且整個(gè)濾波器為非級(jí)聯(lián)方式，運(yùn)算復(fù)雜度較小。

2 DCT-IF濾波原理及其濾波系數(shù)

假設(shè){pi}， i=-（M-1），…，M為一平滑函數(shù)p（x）整數(shù)點(diǎn)上的值，則可以通過(guò)DCT得到其變換系數(shù)Ck：

Ck=1M∑Ml=-M+1p（l）cos（2l-1+2M）kπ4M（17）

通過(guò)DCT反變換可以得到整數(shù)點(diǎn)位置x=-（M-1），-（M-2），…，M的值：

p（x）=∑2M-1k=1Ckcosπ（2x-1+2M）k4M（18）

分?jǐn)?shù)位置點(diǎn)的位置可以根據(jù)公式19得到：

p（α）=∑2M-1k=1Ckcosπ（2α-1+2M）k4M（19）

對(duì)于插值濾波具體分為兩步：

（1）把輸入向量Refm通過(guò)一變換核函數(shù)進(jìn)行分解表示，其整數(shù)位置像素值pm為：

pm=∑Ckφk（xm）（20）

（2）對(duì)公式（20）作DCT反變換，進(jìn)行尺度為α的相移，即得到α分?jǐn)?shù)位置像素的值pα：

pα=∑Ckφk（x0+α）（21）

因此，濾波系數(shù)為前向DCT變換矩陣D和DCT反變換矩陣wT（α）的乘積：

fT（α）=wT（α）D（22）

為整數(shù)位置的像素DCT變換矩陣，其矩陣中的元素由公式（23）得到：

dij=1Mcos（2j-1+2M）iπ4M（23）

其中，0≤i≤2M-1，-M+1≤J≤M。wT（α）為α分?jǐn)?shù)位置的像素DCT反變換矩陣，其矩陣中的元素由公式（24）得到：

w（α）=1/2，i=0cosπ（2α-1+2M）i2M，1≤i≤（2M-1） （24）

由公式（22）可以看出，DCTIF的濾波系數(shù)是固定的，相比AIF和DAIF對(duì)于每個(gè)分?jǐn)?shù)位置像素不斷調(diào)整濾波系數(shù)，DCTIF運(yùn)算量減少較多。從公式（22）看，系數(shù)計(jì)算復(fù)雜度較高，但由于在實(shí)際測(cè)試軟件中，能夠以無(wú)乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)[6]，實(shí)際運(yùn)算只包含位移和加法，所以DCTIF的運(yùn)算復(fù)雜度與AIF和DAIF相比小很多。表1為8抽頭濾波系數(shù)表，每個(gè)濾波系數(shù)用6bit表示。這里同時(shí)給出了計(jì)算濾波系數(shù)的運(yùn)算次數(shù)。表中只列舉了分?jǐn)?shù)位置α≤1/2時(shí)的濾波系數(shù)，α>1/2時(shí)，根據(jù)鏡像對(duì)稱(chēng)原理計(jì)算得到：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于測(cè)試軟件存在整體差異，很難精確評(píng)估DCTIF與DAIF兩者編碼性能的差異。文獻(xiàn)[4]說(shuō)明了在HEVC測(cè)試軟件中單獨(dú)開(kāi)啟DCTIF時(shí)的編碼效率，其結(jié)果對(duì)整體實(shí)驗(yàn)效果影響較小。

圖2為WQVGA（416x240）和720p（1280x720）測(cè)試序列RD的曲線(xiàn)圖（QP=22，27，32，37）[5]。從圖中可以看出，對(duì)于低分辨率格式的視頻，在相同PSNR值下，DCTIF碼率較DAIF和H.264/AVC最大分別降低了26%和39%，平均分別降低了22.3%和31.8%；對(duì)于高分辨率視頻，DCTIF碼率較DAIF和H.264/AVC最大分別降低了48%和56%，平均降低了43%和52.5%。

圖2 WQVGA和720p序列RD曲線(xiàn)圖（low delay）

表2為與DAIF比較各分辨率視頻碼率減小百分比情況。CS1、CS2為兩種編碼配置設(shè)置，分別對(duì)應(yīng)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)（random access）即增加I幀數(shù)目，和低延時(shí)算法（low delay）[6]。

表2中，在random access和low delay兩種編碼配置條件下，針對(duì)所有測(cè)試序列，其碼率平均減小了43.72%和35.47%；其中，B類(lèi)（1080p）和C類(lèi)（832x480）序列碼率降低最為明顯，分別為48.17%、51.61%（CS1）和38.33%、34.45%（CS2）；BQTerrace序列碼率降低最高，達(dá)到了58.65%和54.25%；碼率降低最少的為D類(lèi)序列（416x240），其中BQSquare序列碼率降低最少，但也達(dá)到了40.93%和19.17%。通過(guò)表2可以看出，DCTIF對(duì)于各種分辨率視頻，無(wú)論是在random access或low delay編碼條件下，其編碼效率都有較大提升。

4 結(jié)語(yǔ)

比較AIF及DAIF，DCTIF采用固定系數(shù)進(jìn)行插值運(yùn)算，不需要針對(duì)每個(gè)子像素進(jìn)行最佳濾波系數(shù)選擇，再加上DCTIF在測(cè)試軟件中實(shí)現(xiàn)了無(wú)乘法運(yùn)算，只有位移和加法，并且對(duì)濾波系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了運(yùn)算次數(shù)，降低了算法復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)證明，在random access或low delay編碼條件下，其碼率分別降低了43.72%和35.47%，對(duì)于高分辨率視頻編碼效率提升尤為明顯。對(duì)于4K（2560x1600）的超高分辨率視頻，DCTIF編碼效率有所降低。因此，進(jìn)一步提高針對(duì)超高分辨率的視頻編碼效率是未來(lái)的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] WIEGAND T，OHM J，SULLIVAN G， et al.Special section on the joint call for proposals on high efficiency video coding （HEVC） standardization[J].IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology， 2010，20（12）：1661.

[2] WIEGAND T，SULLIVAN G，BJOTEGAARD G，et al.Overview of the H.264/AVC video coding standard[J].Circuits and Systems for Video Technology， 2003，13（7）：560567.

[3] Svn_HEVCSoftware Revision 4529： /tags[EB/OL].https：//hevc.hhi.fraunhofer.de/svn/svn_HEVCSoftware/tags/.

[4] HAN W J，MIN J，KIM I K， et al.Improved video compression efficiency through flexible unit representation and corresponding extension of coding tools[J].IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology， 2010，20（7）：1709.

[5] BJONTEGAARD G.Calculation of average PSNR differences between RD curves[S].13th VCEG Meeting， Austin， 2001，VCEGM33.

[6] ISO/IEC JTC1/SC29/WG11.Joint call for proposals on video compression technology[S].Proc 91st MPEG Meeting， 2010.

（責(zé)任編輯：黃 ?。?