一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法技术

本发明专利技术涉及视频图像处理领域，特别涉及一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法，包括：(1)根据编码块在帧间预测和补偿后的残差数据经过DCT变换后各个频率位置的DCT系数的分布特性，以及位于背景区域的块经过后续的基于运动检测的去噪滤波后其块内预测误差的绝对值之和将有所减小的特性，在变换块进行实际的DCT变换和量化之前，预判变换块是否是一个全零块；(2)在编码器中嵌入了一个基于运动检测的时间域滤波器，在避免去噪滤波引入运动模糊的前提下，通过在判断全零块的阈值中增加一个大于1的放大因子，减少噪声信号对视频编码的影响，将尽可能多的位于背景区域的块判定为全零块，从而有利于减少编码过程的计算代价、提高编码压缩率。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法
本专利技术涉及视频图像处理领域，特别涉及一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法。
技术介绍
作为新一代视频编码标准，高效率视频编码(HighEfficiencyVideoCoding，HEVC)沿用了H.264等前一代编码标准所使用的基于块的混合编码框架，利用帧内和帧间预测去除空间和时间冗余，利用离散余弦变换(DiscreteCosineTransform，DCT)和熵编码去除统计冗余。在HEVC中，编码树单元(CodingTreeUnit，CTU)是基本的处理单元，每个CTU包含了一个亮度分量编码树块(CodingTreeBlock，CTB)和两个色度分量CTB。HEVC支持将CTB以四叉树的形式划分成更小的块，树型划分结构的叶子节点形成编码单元(CodingUnit，CU)，包含了亮度和色度分量的编码块(CodingBlock，CB)以及相应的句法元素。虽然HEVC在CU的层面确定是采用帧内预测或帧间预测，但每个编码单元可进一步向下划分成两个或四个预测单元(PredictionUnit，PU)，且每个PU可独立地进行预测和补偿，从而形成残差块。与PU类似，HEVC允许以CU为根节点，对残差块进行四叉树形式的递归划分，形成变换单元(TransformUnit，TU)，且以TU为单位进行变换和量化，相应地，每个TU包括亮度和色度分量的变换块(TransformBlock，TB)以及句法元素。HEVC编码中的全零块提早检测是指针对经预测和补偿后的残差TB，在实际的变换和量化之前，采用某种算法预判该TB经变换后，所有的DCT系数将被量化为零。由于被预判为全零块的编码块将跳过后续的变换和量化过程，所以全零块数目的增加，将有利于减少编码的计算代价。另外，由于全零块不会在码流中产生与残差数据相关的比特，所以，增加全零块的数目有利于提高编码压缩率。视频监控等应用以固定摄像机观察场景，所记录的视频图像通常存在大量的背景区域。理论上，经过帧间运动估计和补偿，位于这些区域的CB块的残差数据经过DCT变换和量化，其变换系数将全部为零。与理想状态背道而驰的是，由CCD、CMOS等图像传感器获取的视频信号，不可避免地会引入各种类型的噪声，使得那些位于背景区域的CB在变换量化之后仍然存在较多的不为零系数，在固定量化参数(QuantizationParameter，QP)的情况下，编码器将较多的码流分配给不产生真实信息的噪声信号，导致码率的上升，从而不利于后续的网络传输和存储；在固定码率的情况下，因为噪声信号占用了部分码流而使得视频图像中运动对象所在的区域分配得到的码流有所减少，从而导致编码图像视觉质量的下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于以视频监控中的HEVC编码器为应用背景，提出一种全零块提前检测方法，利用时间域去噪滤波能有效减小由于噪声信号引起的帧差值的特性，在全零块判断过程中引入一个大于1的放大系数，从而补偿噪声信号对全零块判断的影响。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法，包括如下步骤：步骤一，依次取当前编码块CB中的每个变换块TB，若TB内残差数据符合下式，则判定当前TB为全零块，无需进行后续的DCT变换和量化过程，转步骤五，否则转步骤二；并且其中，SND和SAD分别按下式计算其中N是TB块的大小，e(x，y)代表帧间预测的残差数据，qstep是由量化参数QP确定的量化步长，M＝N×N，α1＝Z(0，1)，Z是一个由TB内数据相关程度决定的矩阵，Z(0，1)是Z矩阵(0，1)位置的元素，α2是一个大于1的放大系数，以适应经后续的时间域去噪滤波，TB块的SAD值将有所减小；步骤二，对TB内的残差数据作基于运动检测的时间域去噪滤波，按下式计算TB内每个像素的残差滤波值：e′(x，y)＝a(x，y)e(x，y)其中e′(x，y)为滤波之后的残差值，滤波系数a(x，y)按下式确定其中b取常数4，me是TB内(x，y)像素的邻域范围内残差绝对值的均值，Tm是一个常数；步骤三，由滤波以后的残差数据计算SAD和SND，若下式的条件成立，则判定当前TB为全零块，无需进行后续的DCT变换和量化过程，否则转步骤四，并且其中α1值的计算方式与步骤一相同；步骤四，按HEVC标准进行整数形式的二维DCT变换、量化处理；步骤五，按HEVC标准进行基于上下文的自适应二进制算术编码等。进一步，所述步骤一的Z矩阵的计算方法如下：(1)取q值等于0.6，按下式计算矩阵R；(2)按下式计算矩阵S，S＝ARAT其中A矩阵中的各个元素为(3)计算矩阵Z，其中的各个元素为Z(u，v)＝S(u，u)S(v，v)进一步，所述步骤一中的放大系数α2在去噪滤波的过程中动态地更新，具体地，设更新前的值为α2(t-1)，若当前TB块在去噪滤波前的SND值满足条件：SND≤2N×qstep则按下式更新α2的值：其中更新系数η∈(0，1)，SADp和SADn分别为TB块去噪滤波之前和之后的SAD值；若SND不符合上述条件，则不更新α2的值。本专利技术的有益技术效果是：通过在变换量化前进行全零块判别，可以提前检测出残差数据经变换量化后全部为零的TB块，从而省去对TB块的变换量化过程；本专利技术对于应用于视频监控的HEVC编码系统意义尤为突出，因为这些系统的视频信号或多或少会存在噪声信号，将去噪滤波器嵌入在编码过程中，针对残差作降噪滤波，能有效地抑制噪声对全零块检测的影响，与不考虑噪声的情况相比，能有效地提高全零块的比率，从而降低计算复杂度、提高编码效率，同时，基于运动检测的去噪滤波能很好地避免由于滤波计算可能引入的运动模糊和视觉质量下降。附图说明图1N＝8，q值为0.6时的Z矩阵；图2本专利技术应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法具体实施方式流程图。具体实施方式帧间预测和补偿后的变换块TB，每个像素的预测误差值为e(x，y)＝I(x，y)-B(x，y)(1)(x，y)代表了TB内的像素位置，I为待编码图像，B为参考图像中与I对应的匹配块。若TB所在的区域不包含运动物体，理想状态下，经帧间预测和补偿，该TB应编码为全零块，然而，实际记录的视频信号难以避免地存在噪声影响，当噪声的强度较大或量化参数QP较小时，上述全零块预期往往难以实现。将TB残差数据看成一个N×N的矩阵E，二维DCT变换可写成如下矩阵相乘的形式F＝AEAT(2)其中A是DCT变换矩阵，其元素按下式计算HEVC采用整数DCT变换，其变换矩阵中的每个系数等于(3)式乘上一个缩放系数，使得变换矩阵中的每个元素是个整数，为了避免溢出且保证具有一定的计算精度，HEVC通过在变换过程中作两次右移运算，在量化过程中使用如下式(4)所示的运算，使得整个变换过程与二维DCT变换基本一致。w(u，v)＝(F(u，v)·QQP％6+offset)＞＞shift(4)其中F(u，v)是残差数据经DCT变换后的系数，Q是由QP决定的放大倍数，shift是右移的位数，用于替代量化过程的除运算，offset用于补偿由于取整运算引入的误差。当TB所有的DCT系数经上式量化后都为0，该TB是一个全零块。由于HEVC的整数变换与(2)和(3)式给出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法，其特征在于，所述方法是针对编码块CB中的各个变换块TB实施的，对于每个变换块，包括以下步骤：(1)判断当前TB内残差数据是否符合以下条件，若是，则判定当前TB为全零块，无需进行后续的DCT变换和量化过程，转步骤(5)，否则转步骤(2)；1NSND<qstep]]>并且SAD≤2Mα23πα1qstep]]>其中，N是TB块X和Y方向的尺寸，M＝N×N，qstep是由量化参数QP确定的量化步长，α1＝Z(0，1)，Z是一个由TB内数据相关程度决定的矩阵，α2是一个大于1的放大系数，SND和SAD分别按下式计算：SND=Σx=0N-1Σy=0N-1e(x,y)]]>SAD=Σx=0N-1Σy=0N-1|e(x,y)|]]>其中，e(x，y)代表帧间预测补偿后的残差数据；(2)对TB内的残差数据作时间域去噪滤波，按下式计算TB内每个像素的残差滤波值e′(x，y)＝a(x，y)e(x，y)其中e′(x，y)为滤波之后的残差值，滤波系数a(x，y)按下式确定：a(x,y)=1if|me(x,y)|≥Tm1-exp(-(me(x,y)b)2)otherwise]]>其中b取常数4，阈值Tm＝6，me是TB内(x，y)像素的邻域范围内残差绝对值的均值；(3)由滤波以后的残差数据计算SAD和SND，取α2等于1，若步骤(1)中的条件成立，则判定当前TB为全零块，无需进行后续的DCT变换和量化过程，否则转步骤(4)；(4)按HEVC标准进行整数形式的二维DCT变换、量化处理；(5)按HEVC标准进行基于上下文的自适应二进制算术编码。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于HEVC帧间编码的全零块检测方法，其特征在于，所述方法是针对编码块CB中的各个变换块TB实施的，对于每个变换块，包括以下步骤：(1)判断当前TB内残差数据是否符合以下条件，若是，则判定当前TB为全零块，无需进行后续的DCT变换和量化过程，转步骤(5)，否则转步骤(2)；并且其中，N是TB块X和Y方向的尺寸，M＝N×N，qstep是由量化参数QP确定的量化步长，α1是一个与TB内数据有关的系数，α2是一个大于1的放大系数，SND和SAD分别按下式计算：其中，e(x，y)代表帧间预测补偿后(x，y)像素位置的残差数据，x和y分别代表图像宽度和高度方向的坐标；(2)对TB内的残差数据作时间域去噪滤波，按下式计算TB内每个像素的残差滤波值e′(x，y)＝a(x，y)e(x，y)其中e′(x，y)为滤波之后的残差值，滤波系数a(x，y)按下式确定：其中b取常数4，阈值Tm＝6，me是TB内(x，y)像素的邻域范围内残差绝对值的均值；(3)由滤波以后的残差数据计算SAD和SND，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫刚，李晓楠，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33