一种HEVC帧内编码快速决策算法

刘市 原玲 洪澍

摘要：为了降低HEVC计算复杂度，本文提出了一种快速编码分割的方法，在CU的分割过程中，根据当前图像的纹理特征，基于当前CU块周围纹理信息加权比较，提前结束CU分割。在模式决策的时候精简候选模式，减少编码时间。通过在HM10.0的实验证明：文中方法相比于HM10.0标准代码，能降低45.37%的编码时间，信噪比仅下降0.054，平均比特流仅增加1.02%左右。

关键词：HEVC；纹理信息；帧内预测；快速CU；模式决策

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0298-03

新一代高效视频编码（High Efficient Video Coding，HEVC）是由ISO/IEC （MPEG）和ITU-T（VCEG）联合制定方新一代视频编解码标准，旨在H.264/AVC High Profile [1]的基础上， 在保证视频质量相同的前提下，视频流的码率减少50%。

1 HEVC帧内预测编码概述

与H.264/AVC编码标准类似，H.265/HEVC编码先对来自视频序列的每一帧图片分割处理成若干个CTU（Coding Tree Unit），然后再对逐个CTU进行处理，继续划分为若干个CU，CU编码单元是基本的编码单位。HEVC中定义了三种划分单元：编码单元CU（Coding Unit）、预测单元PU（Prediction Unit）、和变换单元TU（Transform Unit）。

和H.264 标准中固定大小的宏块相比较，HEVC具有更加灵活多变的划分。其提供的最大编码单元CU尺寸为64×64 像素，对应深度（Depth）为0。然后以四叉树的方式逐个递归向下分割成4个32×32像素CU，对应深度为1，以此类推，继续分割 16×16像素的CU（Depth =2）和8×8像素的CU（Depth =3），一个CTU块随机分割如图1所示：

HEVC的测试模型（HM）中，延续了H.264的混合编码架构，据统计发现预测编码所占时间比较大，而编码预测复杂度主要是由穷尽的率失真代价计算引起的。帧内预测的过程主要可以分为两步：自上而下递归的CU块的分割过程和从下往上CU修剪过程[3]。

CU分割和修剪过程如图2所示，HEVC中一帧图像先划分割为若干个LCU（64×64的CU， Depth=0），然后，再逐个LCU向下按四叉树结构递归划分成CU，直到8×8像素的CU结束，深度变化范围从0变化到3，如图2中黑色箭头部分所示。 在划分过程中，每划分一层CU，都会对其进行预测编码和计算率失真代价（RD Cost）。而CU修剪过程刚好相反，从下往上的CU开始，先比较Depth = 0的4个8×8像素的子CU的RD Cost之和是否小于其父CU（Depth = 1，16×16 Pixels）的RD Cost，如果子CU的和大于父CU的RD Cost，则选择其父CU；反之，选择子CU的尺寸，依此推至Depth = 0的LCU层，如图中灰色部分所示。只有完全分割和修剪完毕后才能决定最终CU预测划分尺寸。

HEVC帧内预测提供35种模式：Plannar、DC和33种不同角度预测模式，其方向如图3所示。首先进行粗选择[4]（RMD），即对每一个CU 进行35种预测模式的遍历，得到每种模式下的残差信号，然后再对残差信号进行Hadamard变换计算SATD值，计算出每种预测模式下低复杂度的率失真代价，从小到大排序，选取最小的N种模式为预测模式集。第二步，将已编码相邻块的预测模式（MPMs）补充到预测模式集中，若预测模式中已经包含MPMs中的模式，则不需要重复添加。最后，遍历预测模式集合中的所有模式，然后，对其逐个进行率失真计算，选出其中RDCost最小的作为最佳预测模式。

2 快速CU划分和模式决策算法

CU块分割与修剪的和模式决策的都涉及率失真计算问题，而全过程的率失真代价的计算是引起复杂度增加的主要原因 [6]。为了降低帧内编码的复杂度，本文使用当前帧的当前CU块纹理信息与当前CU块周围纹理信息加权比较，来快速减少CU分割的深度范圍，以便于减少率失真计算过程，然后再在深度范围内设定修剪范围，提前结束CU修剪过程。在帧内预测模式决策过程中，通过SATD排序精简几种候选模式。

实验结果详见表1。实验结果表明，与HM10.0相比，本文提出的算法平均码率增加1.02%，信噪比下降0.054dB的条件下，可以减45.37%的编码时间。本文只需要测定当前块以及周围块的纹理信息的简单计算来限定CU分割和修剪范围，同时在模式选择方面精简候选模式数量，而不需要使用穷尽的率失真计算，因此大量节省了时间。所以，本文算法与原始HM10.0算法比较，在保持一定质量视频质量要求下，编码时间上具有一定因素。

4 结束语

本文提出了基于当前CU块周围邻近CU的纹理信息与当前CU块纹理信息比较来决策当前LCU深度范围的快速CU划分，同时根据SATD排序精简模式算法，该算法相比于原本的HM10.0，引起的平均码率增加仅只有1.02%，而平均能节省45.37%的编码时间。下一步研究主要是在帧内模式决策上进行分类，更加精简候选模式数量，从而获得更大的编码复杂度降低。

参考文献：

[1] JCT-VC.Architectural outline of proposed high efficiency video coding design elements，A202[R].Dresden，Germany： JCT-VC，2010.

[2] G J.Sullivan，J.Ohm，W J.Han，eta1.Overview of the High Efficiency Video Coding（HEVC）standard[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2012，22（12）：1649.1668.

[3] Cho， S..and Kim， M.Fast CU splitting and pruning for suboptimal CUpartitioning in HEVC intra coding[J]， IEEE Trans. Circuits Syst. VideoTechnol，2013，23（9） pp.1555-1564.

[4] Y Piao，J.H.Min，and J.Chen.JCTVC.C207：Encoder Improvement of Unified IntraPrediction，ITU.T/ISO/IEC JCT-VC.2010.

[5] L.Zhao，et.a1.JCTVC-D283：Further Encoder Improvement of Intra Mode Decision， ITU.T/ISO/IIIC JCT-VC.2011.

[6] Chen G， Liu Z， Ikenaga T， et al. Fast HEVC intra mode decision using matching edge detectorand kernel density estimation alike histogram generation[C].2013 IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems （ISCAS），2013，53-56.

[7] F.Bossen.Common test conditions and software referenceconfigurations.Joint Collaborative Team on Video Coding（JCTVC） of ITU-T SG16 WP3 and ISO/IEC JTC1/SC29/WG11， Document： JCTVC-B300[C]//2nd Meeting：Geneva，CH，2010，7：21-28.

[8] G.Bjontegaard.Calculation of average PSNR difference between RD-curves[C]//.13th VCEG-M33 Meeting，Austin，TX，2001，4：2-4.

【通聯编辑：唐一东】