基于屏幕內容的快速模式選擇算法

張瑩

摘要：屏幕內容編碼是視頻編碼應用的重要內容，高效視頻編碼（HEVC）中屏幕圖像內容編碼的擴展方法主要有調色板模式和IntraBC（Intra Block Copy）模式，它們依據屏幕圖像內容的特點提升了碼率，然而，也增加了編碼的復雜度和編碼時間。因此，提出一種針對于屏幕圖像內容的快速模式選擇算法，該方法基于屏幕圖像內容的像素平滑性，對于量化后顏色數量少的CU塊不進行分割；并選擇最佳的三個預測模式與IntraBC模式作比較，決定是否進行率失真優化過程。實驗結果顯示，與標準的HEVC擴展方法相比，該方法在僅增加0.4%比特率的情況下，節省了35%的編碼時間。

關鍵詞關鍵詞：屏幕內容編碼（SCC）；高效視頻編碼（HEVC）；模式選擇；顏色量化；編碼比特

DOIDOI：10.11907/rjdk.161252

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007004803

0引言

HEVC（High Efficiency Video Coding）是繼H.264標準后新一代高效視頻編碼標準，其設計目標是提供實時、低延遲、高質量的視頻編碼標準。與H.264標準相比，HEVC能夠在主觀質量不變的情況下降低50%的比特率。為了滿足更加廣泛的應用需求，如無線顯示、云計算、汽車娛樂系統等。許多擴展方法已經加入到HEVC中，屏幕圖像內容編碼方案就是其中重要的一部分。

提高屏幕內容視頻編碼效率的工具中，調色板模式（Palette mode）和IntraBC（Intra Block Copy）模式是其中的兩個主要模式。調色板模式是一個基于顏色的預測方法，適用于顏色數目少的視頻序列編碼。IntraBC模式是一種類似于運動補償的方法，通過在當前預測幀內找到與當前編碼單元（Coding Unit）匹配的已重建過的CU，并通過位移矢量（也叫做塊矢量）來表示。在典型的文字及圖形內容為主的圖像中，有許多重復部分，因此IntraBC模式是屏幕圖像內容編碼中的一種非常有效的模式。然而，HEVC擴展方法在顯著提高編碼壓縮效率的同時，也導致了編碼復雜度和編碼時間的增加。

針對HEVC相比于上一代視頻編碼標準復雜度高的情況，學者提出了許多快速算法，嘗試減少幀內預測過程編碼時間。Liu等提出了一種快速幀內模式選擇算法，通過文本方向分析從而減少預測單元中的多種候選模式。Zhang等提出了一種基于編碼模式代價值來結束當前編碼單元模式選擇和TU大小選擇的方法。Zhang提出了一種基于Sobel算子邊緣檢測技術的快速幀內模式選擇算法。這些方法對于自然圖像編碼的編碼時間減少起到很大作用，但目前對于屏幕內容圖像編碼時間減少的研究，仍沒得到廣泛關注。

本文提出一種針對屏幕內容圖像特點而設計的基于預測單元紋理平滑和編碼比特的快速模式選擇算法。

1快速模式選擇算法

本文提出兩種方法以保持視頻編碼質量損失可接受的情況下取得穩定的效果來降低復雜度。首先，提出一種基于量化后顏色數目和預測單元紋理平滑的規則來決定當前CU的分割模式。其次，利用各模式率失真代價（RDCost）間的關系決定是否跳過率失真優化過程（RDO）繼續幀內預測過程。算法流程圖如圖1所示。 1.1基于像素量化后顏色數目的分割模式選擇算法

對于屏幕內容圖像序列，大部分區域是平滑且像素值大多相等，如圖2所示。因此，選擇當前CU的預測模式作為此CU最優預測模式，而不需要考慮下一層CU的預測模式，進而跳過相應分割過程。

對于除了8×8 大小的每個CU（8×8大小的CU在CU級別不能繼續分割），通過在下一層分割前進行當前CU像素值的量化來計算顏色數。基于這種量化，在當前預測塊顏色數Numbercolor< TH1的情況下，跳過分割過程，TH1設為2。其中Numbercolor通過如公式（1）計算，遍歷當前CU中每個像素，若滿足公式（1），則Numbercolor的值加1。

其中，Pi是當前像素值，Tj是經過量化得到的顏色列表中的值。N×N是當前CU大小，n是目前為止顏色列表中的數目。通過實驗，TH2設為5。

1.2基于率失真代價的模式選擇算法

IntraBC模式對于文本和圖形區域內容重復率高的編碼塊是高效的。因此，一個CU以IntraBC模式作為預測模式的可能性非常大。如圖3所示，在任意選取的6個SCC視頻序列中，平均超過74%的CU是IntraBC模式預測的。事實上，在屏幕內容視頻幀中，IntraBC模式是被用為預測最頻繁的模式。同時，方向預測的時間比IntraBC模式的預測時間要長，率失真優化（RDO）相比于粗粒度模式選擇（RMD）過程的時間同樣如此。因此，若能跳過方向預測過程或率失真優化（RDO）過程，幀內預測復雜度將有效下降。

基于以上分析，本文提出的算法將IntraBC模式預測過程放在幀內預測的第一位。如果能夠判斷IntraBC模式的編碼表現強于方向預測編碼表現，則跳過方向預測過程以節省編碼復雜度，繼而能夠減少編碼時間。但如何在方向預測過程開始前判斷出IntraBC模式的編碼性能更優是能否跳過方向預測的關鍵。

本算法中采用IntraBC模式預測后的MAE（Mean Absolute Error，平均絕對誤差）值來決定是否跳過方向預測的過程。標記值flagskip定義如下：

其中，MAEintraBC是IntraBC模式預測的MAE值，flagskip標志當值為true時，跳過方向預測；反之，正常進行方向預測。TH3是MAEintraBC的閾值。MAE通過公式（3）表示：

其中，SADintraBC是IntraBC模式預測的SAD值，width值是當前PU（Prediction Unit，預測單元）的寬度值，height值是當前PU的高度值。閾值TH3定義如下：

經RMD過程后，N個列表中的候選模式以哈德瑪變換代價值（SATD，sum of the absolute transform coefficient differences）為標準按照升序排列[7]，這些候選模式需要經過完整的率失真優化過程來選取最佳預測模式。最優預測模式通過計算候選列表中各模式的率失真代價，最小率失真代價模式為最優模式，率失真代價按公式（5）計算：

其中，D和R代表失真和圖像表示需要的比特數，是拉格朗日乘數。候選模式列表中的前3個候選模式成為最佳模式的比例累積總和是90%[8]。這意味著大部分最佳預測模式是從排序前三位的候選模式中選擇的。

本文提出如下規則：若當前CU率失真代價少于TH3，表示IntraBC模式編碼效果更佳。因此在幀內預測過程中跳過方向預測模式和調色板預測模式。否則，若當前CU率失真代價大于或等于TH3，繼續進入原幀內預測過程并保存IntraBC模式率失真代價值。經粗粒度模式選擇過程后，得到N個候選模式（N的值隨著CU大小變化），其后選擇具有N個候選模式列表中的前3個模式作為比較模式，記做mode0，mode1，mode2。分別將此三種模式的率失真代價與IntraBC模式的率失真代價相比。若Min（Intra_Costmodei） > Intra_CostintraBC（i=0，1，2），則跳過率失真優化過程并選擇IntraBC模式作為幀內最優預測模式。

2實驗結果與分析

為了評估算法性能，實驗在HEVC參考軟件HM-14.0+RExt-7.2+SCM-1.1上實現。實驗平臺硬件配置為Intel Core i3-2120K CPU @ 3.30 GHz。每個屏幕內容視頻序列采用50幀進行編碼以驗證算法有效性。實驗所使用的視頻序列列表如表1所示。測試條件設置為全幀內編碼[9]，QP（Quantization parameter，量化參數）值設為22，27，32，37。將本文算法實驗結果與HEVC相比，以便于描述算法的更優性能。實驗結果如實驗結果表明，編碼時間平均減少了35%，BD rate（比特率）平均增加0.4%，PSNR平均減少0.02。說明本算法的編碼性能與HEVC算法相比，沒有明顯下降，且編碼復雜度大幅下降。

本文提出一種基于屏幕內容視頻量化后顏色數目和IntraBC模式編碼有效性的快速模式選擇算法。一方面，對屏幕內容視頻參考幀中每個CU中的像素值進行量化，觀察視頻紋理的平滑性以決定是否進行下一層分割；另一方面，計算IntraBC模式的率失真代價，與幀內方向預測模式率失真代價相比，選擇性跳過幀內預測過程或幀內預測中率失真優化過程。本算法在BD rate僅增加0.4%的情況下，編碼時間顯著節省了35%?；诹炕箢伾珨的亢虸ntraBC模式編碼有效性的快速模式選擇算法是一個值得繼續研究的方向。

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