一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法的制作方法

1.本发明涉及数字高清视频编解码技术领域，具体是一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法。


背景技术：

2.随着通讯技术的不断进步，网络直播，短视频，视频通话等应用蓬勃发展。为了降低视频的存储，传输等代价，涌现了各种视频编解码标准。由于在视频序列中的物体，其运动一般是连续的；因此在不同帧中图像块的运动偏移一般也不会是整数像素精度；为了提高运动补偿的准确性，各种视频编解码标准中，如vvc，hevc，avc，av1,avs3等多种编码标准中都引入了分像素精度的运动补偿；在分像素运动补偿过程中，一般需要在编码端进行分像素运动估计，包括插值、计算代价和选取最优分像素点等过程，计算复杂度较高。
3.如《计算机工程与应用》(向东，骆正华，武汉理工大学计算机科学与技术学院,武汉430063；中南财经政法大学信息学院,武汉430073)公开了基于分组误差的快速分数像素运动估计算法，其根据匹配准则的目标函数在最优运动矢量的附近都是单调递增这一假设，提出一种基于分组误差的快速分数像素运动估计算法；该算法不但能够有效降低分数像素运动估计的计算量,而且还能保持较小的率失真性能损失，但是其不能有效地降低编码时间，提高编码效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，包括以下步骤：
7.s1、以整数像素运动估计过程的结果作为搜索起点，计算imv及其附近八个整数像素点对应cu大小的参考像素与原始像素残差的satd值，得到失真代价；其中，imv即整像素运动矢量，cu即编码单元，satd值即将残差经哈德曼变换的系数绝对值总和；
8.s2、计算imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量的无符号指数哥伦布编码值，得到码率代价；
9.s3、根据s1步骤得到的失真代价以及s2步骤得到的码率代价，计算imv及其附近八个整数像素点对应的九个率失真代价；
10.s4、在九个率失真代价的基础上，以建立误差曲面方程，求解误差曲面的最低点的位置，再将该位置舍入到1/4像素精度获得fmv，根据fmv确定最优的运动矢量，以实现加速分像素运动估计过程，其中，fmv即分像素运动矢量。
11.作为本发明再进一步的方案：在所述s1步骤中，分像素运动估计支持多种编解码标准中所有允许的帧间cu的搜索；
12.作为本发明再进一步的方案：在所述s4步骤中，误差曲面方程的公式如下：
[0013][0014]
上式(1)中，xi,yi代表imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量；c(xi,yi)代表imv及其附近八个整数像素点对应的率失真代价；p1、p2、p3、p4、p5、p6分别代表误差曲面的六个参数。
[0015]
作为本发明再进一步的方案：将imv及附近八个整数像素点对应的九个率失真代价代入误差曲面方程公式(1)中，建立线性方程，线性方程的公式如下：
[0016][0017]
解出误差曲面方程的五个参数后，便可得完整的误差曲面方程。
[0018]
作为本发明再进一步的方案：在所述s4步骤中，曲面的最低点位置的公式如下：
[0019][0020]
其中，fmv
x
和fmvy分别是分像素运动矢量的水平以及垂直分量；
[0021]
再将计算出的fmv
x
和fmvy值舍入到1/4像素精度，即可获得fmv。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0023]
本发明先根据整像素运动矢量计算失真代价和码率代价；再根据失真代价和码率代价计算九个率失真代价，并建立误差曲面方程，计算出误差曲面的最低点的位置，确定最优的分像素运动矢量，以实现加速分像素运动估计过程，该算法可以避免插值计算，加速分像素运动估计过程；对视频编码引起的峰值信噪比下降较小，且比特传输速率升高较小；可以很好地去除时间域的冗余度,减少计算的复杂度,降低编码时间，提高编码效率。
附图说明
[0024]
图1为一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法中最优运动矢量获取的示意图。
具体实施方式
[0025]
请参阅图1，本发明实施例中，一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，包括以下步骤：
[0026]
s1、以整数像素运动估计过程的结果作为搜索起点，计算imv及其附近八个整数像素点对应cu大小的参考像素与原始像素残差的satd值，得到失真代价；其中，imv即整像素运动矢量，cu即编码单元，satd值即将残差经哈德曼变换的系数绝对值总和；
[0027]
s2、计算imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量的无符号指数哥伦布编
码值，得到码率代价；
[0028]
s3、根据s1步骤得到的失真代价以及s2步骤得到的码率代价，计算imv及其附近八个整数像素点对应的九个率失真代价，如计算出的九个率失真代价分别为c1(0,0)，c2(-1,-1)，c3(0,-1)，c4(1,-1)，c5(-1,0)，c6(1,0)，c7(-1,1)，c8(0,1)，c9(1,1)；
[0029]
s4、在九个率失真代价的基础上，以建立误差曲面方程，求解误差曲面的最低点的位置，再将该位置舍入到1/4像素精度获得fmv，根据fmv确定最优的运动矢量，以实现加速分像素运动估计过程，其中，fmv即分像素运动矢量。
[0030]
优选的，在s1步骤中，分像素运动估计支持多种编解码标准中所有允许的帧间cu的搜索；
[0031]
优选的，在s4步骤中，误差曲面方程的公式如下：
[0032][0033]
上式(1)中，xi,yi代表imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量；c(xi,yi)代表imv及其附近八个整数像素点对应的率失真代价；p1、p2、p3、p4、p5、p6分别代表误差曲面的六个参数。
[0034]
优选的，将imv及附近八个整数像素点对应的九个率失真代价代入误差曲面方程公式(1)中，建立线性方程，线性方程的公式如下：
[0035][0036]
将c1(0,0)，c2(-1,-1)，c3(0,-1)，c4(1,-1)，c5(-1,0)，c6(1,0)，c7(-1,1)，c8(0,1)，c9(1,1)带入到公式(2)中得到：
[0037][0038]
为表述方便，将公式(2)表示为如下矩阵形式：
[0039]
p＝(x
t
x)-1
x
tcꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
上式(3)中，p表示六个参数，x为imv及附近八个整数像素点对应的坐标，c为相应的率失真代价，t表示转置操作；
[0041]
由于参数p6对最低点预测没有影响，因此将其删除，得到：
[0042][0043]
计算得到：p1＝-0.0142，p2＝-0.0059，p3＝-0.0176，p4＝-0.0218，p5＝-0.0069，解出误差曲面方程的五个参数后，便可得完整的误差曲面方程。
[0044]
优选的，在s4步骤中，曲面的最低点位置的公式如下：
[0045][0046]
其中，fmv
x
和fmvy分别是分像素运动矢量的水平以及垂直分量，将p1、p2、p3、p4和p5的参数值带入到公式(4)中，得到：
[0047][0048]
再将计算出的fmv
x
和fmvy值舍入到1/4像素精度，即可获得fmv。
[0049]
为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述试验进行阐述：
[0050]
采用本发明的方法测试本文算法,并与分数像素分级搜索算法(hs)和分数像素运动估计算法(fpme)的性能，采用的分辨率分别为1080p，帧数为240；量化参数qp值分别取22、27、32；编码条件是随机访问配置模式；测量编码时的比特传输速率(b)、峰值信噪比(psnr)以及编码时间(t)；对比结果见表1所示。
[0051]
表1比特传输速率、峰值信噪比以及编码时间分析对比表
[0052]
[0053][0054]
从上表1可以得出：与分数像素分级搜索算法(hs)和分数像素运动估计算法(fpme)相比，本发明中的编码时间显著小于分数像素分级搜索算法(hs)和分数像素运动估计算法的编码时间；本发明中的编码时间变化值显著大于分数像素分级搜索算法(hs)和分数像素运动估计算法的的编码时间变化值。
[0055]
进而可以得出：本发明采用的算法可以避免插值计算，加速分像素运动估计过程；对视频编码引起的峰值信噪比下降较小，且比特传输速率升高较小；编码时间有较大的降低，编码效率有较大的提高，降低了编码计算的复杂度。
[0056]
以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，其特征在于，包括以下步骤：s1、以整数像素运动估计过程的结果作为搜索起点，计算imv及其附近八个整数像素点对应cu大小的参考像素与原始像素残差的satd值，得到失真代价；其中，imv即整像素运动矢量，cu即编码单元，satd值即将残差经哈德曼变换的系数绝对值总和；s2、计算imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量的无符号指数哥伦布编码值，得到码率代价；s3、根据s1步骤得到的失真代价以及s2步骤得到的码率代价，计算imv及其附近八个整数像素点对应的九个率失真代价；s4、在九个率失真代价的基础上，以建立误差曲面方程，求解误差曲面的最低点的位置，再将该位置舍入到1/4像素精度获得fmv，根据fmv确定最优的运动矢量，以实现加速分像素运动估计过程，其中，fmv即分像素运动矢量。2.根据权利要求1所述的一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，其特征在于，在所述s1步骤中，分像素运动估计支持多种编解码标准中所有允许的帧间cu的搜索。3.根据权利要求1所述的一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，其特征在于，在所述s4步骤中，误差曲面方程的公式如下：上式(1)中，x
i
,y
i
代表imv及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量；c(x
i
,y
i
)代表imv及其附近八个整数像素点对应的率失真代价；p1、p2、p3、p4、p5、p6分别代表误差曲面的六个参数。4.根据权利要求3所述的一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，其特征在于，将imv及附近八个整数像素点对应的九个率失真代价代入误差曲面方程公式(1)中，建立线性方程，线性方程的公式如下：解出误差曲面方程的五个参数后，便可得完整的误差曲面方程。5.根据权利要求1所述的一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，其特征在于，在所述s4步骤中，曲面的最低点位置的公式如下：其中，fmv
x
和fmv
y
分别是分像素运动矢量的水平以及垂直分量；
再将计算出的fmv
x
和fmv
y
值舍入到1/4像素精度，即可获得fmv。

技术总结
本发明涉及数字高清视频编解码技术领域，公开了一种适用于多种视频编码标准的分像素运动估计快速算法，包括以下步骤：S1、计算IMV及其附近八个整数像素点对应CU大小的参考像素与原始像素残差的SATD值，得到失真代价；S2、计算IMV及其附近八个整数像素点对应整数运动矢量的无符号指数哥伦布编码值，得到码率代价；S3、计算IMV及其附近八个整数像素点对应的九个率失真代价；S4、建立误差曲面方程，求解误差曲面的最低点的位置，再将该位置舍入到1/4像素精度获得FMV。本发明可以避免插值计算，加速分像素运动估计过程；对视频编码引起的峰值信噪比下降较小，且比特传输速率升高较小；可以很好地去除时间域的冗余度,减少计算的复杂度,降低编码时间，提高编码效率。提高编码效率。提高编码效率。


技术研发人员：范益波 陈数士
受保护的技术使用者：上海芯开技术有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/9