[发明专利]一种基于HEVC的帧内编码方法

说明书

技术领域

本发明属于视频编码的技术领域，具体地涉及一种基于HEVC的帧内编码方法。

背景技术

HEVC是由国际电信联盟远程通信标准化组织中的视频编码专家组（ITU-T VCEG）和国际标准化组织（ISO）及国际电工委员会（IEC）中的动态图像专家组（MPEG）联合制定的当今最为先进的视频编码标准。主体工作已于2013年1月基本完成，HEVC对传统意义上的视频能够获得非常好的编码效果，其制定者们还做了一系列工作来扩展标准，以支持一些额外的应用场景的专业应用，以使此标准能够应用到其他领域，例如，可伸缩视频编码和3D/立体/多视点视频编码。

HEVC编码标准的编码框架与上一代编码标准h.264的编码框架基本相似，都使用了预测加变换的混合编码方式作为框架。但是，HEVC编码标准加入了新的技术和思想，使得其编码效果和效率有大幅度提升。

由于本发明只在帧内框架上进行改进，所以本部分只集中于帧内编码技术的介绍：

1.灵活的编码结构

HEVC将编码块从传统标准（h.264）的16x16提升到了64x64，并且提出了预测块（PU，Prediction Unit）和变换块（TU，Transformation Unit）。将传统的编码块分别定义为三个不同的编码单元有如下好处:

1）.理清了各个编码单元的关系，PU是CU的全部或者一部分，TU是PU的全部或一部分。因此，在划分各个编码单元时有章可循，条理清晰。

2）.编码器对于不同阶段的编码任务选用不同的编码单元，使得编码器能够专注于处理当前阶段的任务，而无需考虑其他过程，例如，预测阶段的任务是帧内预测或者帧间预测，这个过程和变换编码没有任何关系，编码器可以只关心预测的编码算法和分割方式。

3）.便于对各个阶段的方法的修改和优化提升，对于编码器的维护更加方便可靠。

2.灵活的编码分割结构

HEVC的编码块分割结构采用的是四叉树分割方法，其为一种自适应的分割方法，即对于编码视频图像的纹理的方向，稀疏，变化能够自适应的选择不同尺寸，规格的编码块，使得其预测阶段的所得到的残差更小，变换阶段所得到的能量更加集中，最终使得编码效率大幅提升。如图1所示，一个编码块可以分割的各种不同的子块。

3.帧内预测编码模式

在帧内预测模式的数量上，HEVC较之h.264有较大的更变。HEVC的35种预测模式使得预测值更加准确，预测后的残差更小。如图2所示，为HEVC的35种预测模式。

这35种预测模式分为两类，非方向预测模式和方向预测模式。DC和Planner为非方向预测模式，其模式号为0和1；其余的33种模式均为方向预测模式。

帧内预测的编码的最基本编码单元是预测块（PU），对于不同的视频内容，预测块的尺寸也不是不同的。预测块共有4中尺寸，分别是32x32，16x16，8x8和4x4。对于一个预测过程，需要解决一个问题：在何种尺寸和何种预测模式条件下，使得编码效果最佳。率失真最优化（RDO，Rate Distortion Optimization）过程能够解决这个问题。

3.1率失真最优化过程

率失真最优化过程实质是一个搜索最优解的过程。其步骤如下：

1）对于预测块的搜索时从最大预测块尺寸（32x32）开始的，测试35种模式，取得编码重建的码率Rate和重建图像与源图像之间的差的绝对值作为失真Distortion，通过计算公式(1)获得率失真最优化过程的代价Cost，其中lumda是一个与量化步长有关系的系数。并将此代价和编码重建及预测模式分别加入到代价队列和最优结果中。

Cost=Distortion+lumda×Rate（1）

2）将预测块尺寸缩小一个级别，继续测试35种模式。

3）重复上述测试和保存过程，直至预测块的尺寸大小小于4x4。

4）取RDO代价最小的作为最优解。

3.2标准中的加速过程

由于HEVC提出的更加精确的预测方法和更多的预测模式，需要做许多的测试、比较和计算，这使得编码过程极为耗时，因此，HEVC的标准提出了一种对模式快速选择的算法——粗粒度模式选择（RMD，Rough Mode Decision）。