高效視頻編碼幀內預測算法

張大禹

摘 要 文章首先從高效視頻編碼的產生和發展角度出發，對當前存在于HEVC框架之下的主要不足之處加以分析，并且給出了對應的優化意見，指出幀內預測是可以切實對HEVC實現改善的重要途徑。

【關鍵詞】高效視頻編碼 HEVC 幀內預測

1 前言

高效視頻編碼（HEVC，High Efficiency Video Coding）作為當前新一代主流的視頻編碼標準，其發展歷程可以追溯到2004年，當時ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）著手研究更具效率的視頻壓縮標準，成為了HEVC的起步標志。但是一直到2012年2月10日于美國圣何塞召開的第99屆MPEG會議上，MPEG組織和ITU-T組織才對多年的研究加以認可，并且決定在次年1月，同時在ISO/IEC和ITU-T發布HEVC標準的最終版本。HEVC編碼標準支持從320×240到7680×4320像素范圍內的分辨率，與其之前執行的H.264/AVC標準相比，HEVC的高保真度視頻圖像壓縮效率提升了一倍左右，在理想的情況下，面對相同視頻圖像質量要求，視頻流的碼率能夠減少一半，從而實現對于不同網絡環境的更優適應，同時支持多核并行編解碼。

2 高效視頻編碼幀內預測算法

在HEVC實現的過程中，雖然高性能以及實現了有效控制的碼率成為其重要的突出特征，也因此保持了面向網絡環境的友好，但是對應的計算復雜程度，卻成為其長期發展過程中不容忽視的重要問題，在未來隨著流媒體傳輸需求的增加，必然會影響到編碼時間。因此當前對于HEVC改進的研究重點，即在于降低算法復雜程度領域。對于這一方面的研究，多集中于幀內預測領域，作為HEVC編碼算法框架中復雜程度最高的環節，對其展開優化研究，于實現HEVC算法簡化而言有著重要意義。

當前對于幀內預測算法優化的研究主要從兩個方面進行：

（1）即在展開幀內預測工作之前，通過塊類型預測判斷，或者提前終止的思想，來針對需要編碼的圖像預估其適用的編碼單元類型，從而實現對于并不適用該圖像紋理的編碼塊類型進行揀選跳過，降低算法整體復雜程度同時有效縮短編碼時間。

（2）通過低復雜度的方法提前對可能性有限的預測模式進行排除，從而實現RDO模式之下，候選幀內預測模式數目的縮減，最終實現算法的簡化。

當前技術領域中，對于HEVC算法簡化的研究層出不窮。四叉樹遞歸編碼單元結構，以及遍歷枚舉的運算方法，已經無法適用于當前流媒體空前繁榮的數據環境。目前在算法優化領域中國，基于率失真（RD，Rate-distortion）代價函數而對四叉樹實現提前終止的幀內預測塊劃分方法是相對而言效果顯著的一種。

HM10.0作為HEVC的參考模型，采用了樹形結構和遞歸模式進行編碼單元塊（CU，Coding Unit）的劃分，而CU采取深度優先遍歷遞歸方式工作，從樹根最大編碼單元（LCU，Largest Coding Unit）開始，依次對其相鄰節點展開搜索和訪問。參考模型實現對于四叉樹上每個節點的遍歷之后，計算出對應的節點權重，即當前層次編碼單元CU的率失真代價RDCost。如果四個子CU的RDCost總和大于其對應單元CU的RDCost，則當前CU編碼無需進一步劃分，否則需要進行進一步的劃分。在實現過程中，首先對所有角度的預測模式采用基于HAD（Hadamard transform Absolute Difference）函數來計算代價，而后對其展開代價排序，選出代價最小的候選模式。而后從相鄰編碼單元中推導出最有可能模式，確定候選模式集合中包含有此種可能模式。最后采用SSE（Sum of Square Error）代價函數計算諸候選模式代價，最終選出RDCost最小的模式作為最佳預測模式。

為了確定出CU的最佳代價，需要搜尋每一個可能的模式，在這個過程中所產生的浪費成為阻礙HEVC效率提升的關鍵。如果當前CU的深度是逼近最優的，那么停止進一步的分裂所導致的損失必然可以忽視，但是對于整體算法速度的提升卻有著至關重要的價值。可以考慮明確一個閾值，當RDCost小于該閾值的時候，即可以認定已經滿足編碼需要，可以停止進行下一層次的迭代遞歸計算。在這一思路的指導之下，如何選擇一個合理的閾值，成為確保HEVC體系工作效率和質量平衡的重要環節。

在原來的計算體系中，最佳閾值被定義為盡量控制碼率失真，但是為了實現算法的簡化，可以將目標重新定義為最接近HM的決策結果，決定是否對當前單元展開進一步的分割。如果在HM中加入數據統計模塊，來實現對于每一個待分割單元分割選擇 并且確定對應的測定結果，分別對不同大小的塊的條件概率分布進行計算，則有錯誤率的表達參見式（1）：

式（1）中，T為閾值。因此當存在有滿足式（2）約束條件的閾值，則可以確定為最佳閾值，即為兩條曲線的交點。

依據這一方案，處于運算環境中的每個序列和量化參數（QP，Quantization Parameter）只需要一次編碼迭代就可以得到對應的閾值，計算復雜程度大大得到控制。

3 結語

為了降低HEVC編碼復雜度，減少編碼時間，該領域的相關工作人員付出了長期的努力展開研究。隨著相關技術的不斷成熟，以及需求側的推動力量加強，幀內預測算法的優勢也開始日漸突出，未來必然能夠成為支持HEVC實現優化的重要動力。

參考文獻

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[2]甘勇，趙曉榮，李天豹，等.基于圖像特征的HEVC快速幀內預測算法[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2014（01）.

作者單位

中國人民解放軍92124部隊 遼寧省大連市 116021