本发明专利技术专利涉及一种HEVC视频编码标准的量化矩阵设计，使用一种基于DCT变换的MTF函数设计HEVC视频编码标准的量化矩阵，并针对HEVC整数DCT变换与DCT变换的差别对量化矩阵进行校正调整，所设计的量化矩阵包括亮度分量，色度分量8×8以及4×4的整数DCT帧内、帧间量化矩阵以及4×4 DST变换的帧内量化矩阵。本发明专利技术在相同的视频质量下能获得更高的编码效率，所得的码流保持与HEVC编码标准的兼容且不改变编码的复杂度，这种量化矩阵对于基于DCT变换的其他视频编码标准同样适用，如H.264/AVC、AVS以及AVS2。
Design of HEVC quantization matrix based on human visual characteristics
The design of quantization matrix of the invention relates to a HEVC video encoding standard, using a quantitative matrix MTF function design of HEVC video encoding standard based on DCT transform, and for the HEVC integer DCT transform and DCT transform between adjustment of quantization matrix, quantization matrix design including the luminance component and the chrominance components of 8 * 8 and 4 * 4 integer DCT intra and inter quantization matrix and 4 x 4 DST transform frame quantization matrix. The invention can obtain higher encoding efficiency under the same video quality, keep the bitstream complexity and HEVC encoding standard compatible and does not change the encoding, the quantization matrix for other video encoding standard DCT transform based on the same application, such as H.264/AVC, AVS and AVS2.
【技术实现步骤摘要】
基于人眼视觉特性的HEVC量化矩阵设计
本专利技术专利涉及一种基于HEVC（HighEfficiencyVideoCoding）视频编码标准的量化矩阵设计，尤其涉及一种基于视觉特性的视频图像量化方法。
技术介绍
在视频编码与传输应用中，新一代高性能视频编码标准（HEVC，HighEfficiencyVideoCoding）由ISO-IEC/MPEG和ITU-T/VCEG两大国际标准化组织成立的视频编码联合开发小组(JCT-VC)开发，与H.264/AVC相比，在相同的视觉质量下，HEVC能使比特率降低一半。作为新一代视频编码标准，HEVC仍然属于预测加变换的混合编码框架，它也包含了帧内预测、帧间预测、正交变换、量化、滤波、熵编码等编码模块，但在各个编码环节都进行了细致的优化与改进，HEVC标准编码方法如附图1所示。在正交变换环节，HEVC对预测残差采用多尺寸整数离散余弦变换（DCT，DiscreteCosineTransform），变换尺寸可以为32x32,16x16,8x8等大小，对有些4x4的帧内预测亮度分量采用离散正弦变换（DST，DiscreteSineTransform）。正交变换后的残差系数主要采用均匀量化的方法，同一变换块中的不同频率系数使用相同的量化步长。实际上，人眼对不同频率系数的敏感度是不同的，因此HEVC同时支持并提供了一种基于视觉特性的量化矩阵，通过这个缺省的量化矩阵可以用不同的量化步长对不同频率系数进行量化。调制传递函数（MTF，ModulationTransferFunction）体现了人眼对不同空间频率的敏感程度，基于视觉特性的不均匀量化矩阵主要基于MTF函数进行设计。MTF函数在早期的图像编码应用中主要面向DFT变换，并被延续到HEVC的缺省量化矩阵的设计，HEVC的缺省量化矩阵如附图2所示，模块（11）完成对亮度色度分量帧内预测8×8整数DCT系数的量化；模块（12）完成对亮度色度分量帧内预测4×4整数DCT系数的量化；模块（13）完成对亮度色度分量帧间预测8×8整数DCT系数的量化；模块（14）完成对亮度色度分量帧间预测4×4整数DCT系数的量化；模块（15）完成对亮度分量帧内预测4×4整数DST系数的量化。本专利技术专利使用一种基于DCT变换的MTF函数，并将其用于改进HEVC的量化矩阵。由于HEVC在变换编码模块采用的是经过伸缩扩展的整数DCT变换，这种正交变换类似于DCT，但实际上还有所区别，因此需要对形成的量化矩阵进行校正；此外，HEVC对DST变换系数采用与DCT相同的量化矩阵，而这两种变换的某些系数所反映的空间频率是不同的，因此本专利技术专利还设计一种基于DST变换的量化矩阵。与HEVC缺省量化矩阵相比，本专利技术专利的量化矩阵在高频部分能去除更多的视觉冗余，同时减少中频系数的量化步长，保留较多的中频细节，由于人眼对中频系数也相对敏感，对高频系数敏感性最差，因此本专利技术专利的量化矩阵更适用于HEVC编码，能在保持视频图像视觉质量的同时达到更高的压缩效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于人眼视觉特性的HEVC量化矩阵设计，该量化矩阵在相同的视频质量下能获得更高的编码效率，所得的码流保持与HEVC编码标准的兼容且不改变编码的复杂度，这种量化矩阵对于基于DCT变换的其他视频编码标准同样适用。本专利技术采用以下方案实现：一种基于人眼视觉特性的HEVC量化矩阵设计，其特征在于：使用一种基于DCT变换的MTF函数设计HEVC视频编码标准的量化矩阵，并针对HEVC整数DCT变换与DCT变换的差别对量化矩阵进行校正，所设计的量化矩阵包括整数DCT8×8帧内量化矩阵16161616161719221616161616172024161615151719222615161519222630361616172228354351171719263548627519202230436284108222426365175108149，完成对亮度色度分量帧内预测8×8整数DCT系数的量化；整数DCT4×4帧内量化矩阵16161619161517221617284319224384，完成对亮度色度分量帧内预测4×4整数DCT系数的量化；整数DCT8×8帧间量化矩阵161616161617182216161616171822231616161718222324161617182223243116171822232431421718222324314260182223243142608422232431426084114，完成对亮度色度分量帧间预测8×8整数DCT系数的量化；整数DCT4×4帧间量化矩阵16161616161616161616161616161616，完成对亮度色度分量帧间预测4×4整数DCT系数的量化；整数DST4×4帧内量化矩阵16161823161618231818284323234383，完成对亮度分量帧内预测4×4整数DST系数的量化。附图说明图1是HEVC视频编码标准结构框图。图2是HEVC视频编码缺省量化矩阵。图3是本专利技术专利设计的HEVC视频编码量化矩阵。具体实施方式下面结合附图及设计原理阐述本专利技术专利涉及的技术方案，调制传递函数MTF体现了人眼对不同空间频率的信号具有不同的敏感程度。HEVC缺省量化矩阵所用的MTF函数模型如下公式（1）所示：H(u,v)=2.2(0.192+0.114f(u,v))exp(-(0.114f(u,v))1.1)f(u,v)>fmax1otherwise---(1)]]>其中f(u,v)表示(u,v)位置所对应的空间频率，空间频率表示每度视角内条纹变化的周期数，单位为周/度（CPD，Cycleper）。(u,v)位置的系数所对应的敏感度H(u,v)具有低通特性，fmax取值为8CPD，这是MTF函数的峰值位置，当频率大于fmax时，人眼对对应系数的敏感性开始下降。JCTVC-G880提案使用这个模型设计量化矩阵并被用于HEVC的缺省量化矩阵，每一种量化矩阵的具体值如附图2所示。实际上公式（1）模型最初的设计是针对基于DFT变换的图像编码，由于许多视频图像编码都采用DCT变换，因此本专利技术专利使用一种基于DCT变换的MTF函数，对于二维的图像，其调制传递函数表达式如公式（2）所示。H(f)=0.05exp(f)0.554f7exp[-9(|log10f-log109|)2.3]f7---(2)]]>由于HEVC采用了整数DCT变换去除像素空间域的相关性，因此使用这个模型更能体现人眼的视觉特性，基于这种分析，结合该模型用公式（3）来表示人眼对DCT变换不同频率的响应并将其用于设计量化矩阵。H(u,v)=exp[-9(|log10f(u,v)-log109|)2.3]f(u,v)>71otherwise---(3)]]>对于N×N的DCT变换，为了计算(u,v)位置对应的空间频率f(u,v)，用f(u)表示(u,v)位置所对应的水平频率，它表示第u个DCT变换基在单位长度（1mm）内具有的变化周期个数，计算方法如公式（4）所示，其中Δ表示像素间距，垂直频率的计算方法与此类似。f(u)=uΔ×2N,foru=0,1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于人眼视觉特性的HEVC量化矩阵设计方法，其特征在于：使用一种基于DCT变换的MTF函数设计HEVC视频编码标准的量化矩阵，并针对HEVC整数DCT变换与DCT变换的差别对量化矩阵进行校正，所设计的量化矩阵包括整数DCT8×8帧内量化矩阵
【技术特征摘要】
1.一种基于人眼视觉特性的HEVC量化矩阵设计方法，其特征在于：使用一种基于DCT变换的MTF函数设计HEVC视频编码标准的量化矩阵，并针对HEVC整数DCT变换与DCT变换的差别对量化矩阵进行校正，所设计的量化矩阵包括整数DCT8×8帧内量化矩阵，完成对亮度色度分量帧内预测8×8整数DCT系数的量化；整数DCT4×...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑明魁，苏凯雄，杨秀芝，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35
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