VVC仿射運動估計快速算法制造技術

針對在VVC加入AME使得計算復雜度急劇提升的問題，本發明專利技術主要從三個角度對VVC中的AME進行加速。首先，考慮到AME的迭代次數過多，提出了一種自適應迭代次數公式，該公式可以很大程度地削減迭代次數；其次，對AME里的三種MV精度進行刪減優化，主要是對一些高精度MV的AME進行跳過；最后，在與其他模式進行比較時，率失真代價的計算過于繁瑣，采用較粗略的絕對變換誤差和代價來進行決策。誤差和代價來進行決策。誤差和代價來進行決策。

【技術實現步驟摘要】
VVC仿射運動估計快速算法


[0001]本專利技術涉及視頻編碼領域，具體涉及降低編碼器的復雜度的VVC仿射運動估計快速算法。

技術介紹

[0002]視頻編碼領域發展飛速，從20世紀90年代至今，視頻編碼標準已經基于初代的H.261衍生出了許多新標準。21世紀初，我國自主研發的高級視頻編碼標準(Advanced Video Coding Standard，AVS)投入使用。截至今天，我國自主研發的視頻編碼標準已經發展到了AVS3，對標國際上最新的通用視頻編碼(Versatile Video Coding，VVC)。這種最新的視頻編碼標準相比上一代的高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding，HEVC)/AVS2，壓縮效率可以提升50％，這對于存儲4K、8K乃至更高分辨率的視頻提供了巨大便利。
[0003]如此高的壓縮率不是憑空就得到的，是用極高的計算復雜度的代價換來的。從幀內預測、幀間預測、變換、量化、熵編碼乃至環路濾波部分的計算復雜度都提升巨大。特別地，在幀間預測部分，需要通過當前幀和參考幀的重構來計算得到運動矢量(Motion Vector，MV)，本質上就是在參考幀的某一范圍的搜索窗內與當前幀中的當前塊進行塊匹配搜索，不斷計算失真代價，最終選取最優的代價對應的參考塊，從而得到MV?？梢园l現，幀間預測的復雜度是極高的。如果是全搜索過程，那么參考幀中的每一個子塊都必須至少要被搜索計算一次。對此，本專利技術主要是減少幀間預測部分的復雜度。
[0004]由于現實世界中運動的物體并非都是剛體運動，往往很多運動都存在旋轉、縮放等非剛體運動，為了能夠更加清晰有效地描述這種非剛體運動，VVC引入了全新的仿射運動估計(Affine Motion Estimation，AME)，而且分像素精度最大甚至達到了1/16。顯而易見，AME的復雜度同樣是巨大的。基于這一初衷，本專利技術以加速AME過程的方式減少幀間預測部分的復雜度。

技術實現思路

[0005]針對在VVC加入AME使得計算復雜度急劇提升的問題，本專利技術主要從三個角度對VVC中的AME進行加速。首先，考慮到AME的迭代次數過多，提出了一種自適應迭代次數公式，該公式可以很大程度地削減迭代次數；其次，對AME里的三種MV精度進行刪減優化，主要是對一些高精度MV的AME進行跳過；最后，在與其他模式進行比較時，率失真(Rate Distortion Optimization，RDO)代價的計算過于繁瑣，采用較粗略的絕對變換誤差和(Sum of Absolute Transformed Difference，SATD)代價來進行決策。
[0006]本專利技術提供一種方案，包括：
[0007]更改AME的迭代過程中具體的迭代次數為自適應公式計算得到的動態次數；
[0008]在整像素、1/4和1/16像素精度三種運動矢量精度中選擇1/4像素精度；
[0009]使用SATD代價決策來選擇最優的CPMV。
[0010]在AME的迭代過程中，每次迭代都會更新CPMV，然后基于CPMV進行運動補償，得到
預測圖像，進而計算RDO代價。迭代完成后，具有最小代價的CPMV會被保留下來，然后再進行之后的預測、變換、量化和熵編碼等。為了在最大程度上減少迭代次數，使用自適應公式計算實際的迭代次數。
[0011]作為優選，所述的自適應公式根據迭代次數與量化參數、slice類型以及CU大小的關系得到；
[0012][0013]其中，M表示CU尺寸大小，QP代表量化參數，α是調節參數，在QP大于等于27被設為2，小于27被設為4；θ和η是兩個固定值，在四參數中，兩者分別為3和5，在六參數中，兩者分別為3和4。
[0014]在AME內部，每次迭代都要計算RDO代價，完成迭代后，具有最小代價的CPMV會被保留下來，用于之后的運動補償等一系列步驟。除此之外，還存在是否進行細粒度調整的RDO代價比較。在AME外部，要將AME與其他幀間模式進行RDO代價比較，來選擇最優的幀間模式。由此可見，RDO代價的比較計算在幀間預測部分的復雜度是極高的。本專利技術在迭代過程中采用SATD代價決策來選擇最優的CPMV，這可以比RDO決策減少大量時間。
[0015]作為優選，所述的SATD代價使用以下公式計算：
[0016][0017]其中，Ψ代表SATD，i是一個索引值，d
i
代表i位置的變換系數；
[0018]將碼率R和SATD采用拉格朗日優化因子進行加權疊加，得到以下公式：
[0019]ω＝Ψ+λ
·
R
[0020]得到用來代替迭代過程RDO代價的SATD代價ω。
[0021]本專利技術的實質性特點在于：極大降低了VVC中AME算法的計算復雜度，并且編碼性能損失可以忽略不計。最新的VVC視頻編碼標準以付出巨大計算復雜度代價的情況下，達到了相比HEVC來說的50％的壓縮效率。為減少計算復雜度，本文從VVC新加入的AME幀間模式入手，主要從三個方面來降低AME計算復雜度。首先，對迭代次數采用一個自適應公式進行刪減；其次，將AME中的像素精度只保留1/4像素精度，摒棄其余兩種像素精度；最后，在進行最優CPMV決策時，采用SATD代價來代替RDO代價。AME算法的復雜度得到了極大降低，這對整個幀間預測乃至VVC編碼器復雜度的降低也做出了一定貢獻。
附圖說明
[0022]圖1AME快速算法流程圖；
[0023]圖2更改迭代次數后的BQMall性能對比情況；
[0024]圖3AME中幾種像素精度的占比情況；
[0025]圖4更改迭代次數后的BQTerrace性能對比情況。
具體實施方式
[0026]下面通過具體實施例，并結合附圖，對本專利技術的技術方案作進一步的具體說明。
[0027]實施例1
[0028]在最新一代的視頻編碼標準VVC中，AME的引入無疑給整個編碼器壓縮性能的提升帶來了巨大的貢獻。針對旋轉、縮放的運動塊，AME帶來的壓縮性能的提升是遠大于整像素、分像素運動估計所帶來的運動提升的。VVC幀間預測部分的復雜度提升不單單是由AME自己帶來的，AME與整、分像素運動估計的RDO代價的比較進而選擇最優模式這一過程同樣復雜度極高。除此之外，得到控制點運動矢量(Control Point Motion Vector，CPMV)后，要基于CPMV計算每個子塊的MV，然后通過這個MV才進行運動補償得到預測塊。對于中心像素是(x,y)的塊，四參數模型得到每個子塊CPMV的具體公式如下，
[0029][0030]其中，a
h
,a
v
,b
h
,b
v
分別表示左上角和右上角CPMV的橫縱坐標，w表示當前塊的寬度；同樣地，對于六參數仿射模型來說，具體公式如下，
[0031][0032]其中，a
h
,a
v
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.VVC仿射運動估計快速算法，其特征在于，包括：更改AME的迭代過程中具體的迭代次數為自適應公式計算得到的動態次數；在整像素、1/4和1/16像素精度三種運動矢量精度中選擇1/4像素精度；使用SATD代價決策來選擇最優的CPMV。2.根據權利要求1所述的VVC仿射運動估計快速算法，其特征在于，所述的自適應公式根據迭代次數與量化參數、slice類型以及CU大小的關系得到；其中，M表示CU尺寸大小，QP代表量化參數，α是調節參數，在QP大于等于27被設為2，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鐘煜城，牛偉宏，黃曉峰，吳欣怡，林旭南，陳丹，崔燕，
申請(專利權)人：杭州電子科技大學，
類型：發明
國別省市：