一种宏块帧间预测模式的快速选择算法
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摘要：人们对视频质量和内容的多样性要求越来越高，传统的二维（2D）图像/视频无法满足人们的需求，能够提供三维（3D）视觉的立体/多视点视频技术越来越受到学术界和工业界的重视。多视点视频编码技术已经成为当前视频研究领域的热点之一。与单视点视频相比，多视点视频可以更加生动地再现现实场景，给人们提供身临其境的感觉，与此同时，巨大的数据量成为制约其广泛应用的瓶颈。因此，如何提高多视点视频的压缩编码效率成为多视点视频编码技术的主要目标，其中，由HHI组织提出的JMVM编码方案采用了视点间预测和时域预测相结合的预测结构，取得了出色的编码效率，这种预测结构被JVT选为MVC的参考预测结构。然而，采用多视点视频（MVC）参考预测结构的JMVM方案的计算复杂度很高，为了能够有效地降低MVC的计算复杂度，该文提出了一种高效的MVC预测方法，主要从宏块预测模式快速选择来降低MVC的计算复杂度。该方法对帧间8×8预测模式，16×8、8×16预测模式进行了快速的选择。
关键词：多视点；视频编码；预测模式
中图分类号：TN957.52+3文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2192-02
采用MVC参考预测结构的JMVM编码方案的计算复杂度很高，而帧间预测编码所花费的时间占整个编码时间的绝大部分。因此，为了能够有效地降低MVC的计算复杂度，文中提出了一种宏块预测模式的快速选择方法。该方法可以有效地降低MVC的计算复杂度，然而在节省大量编码时间的同时引入了较大的编码损失。
为了能够在仅引入很小编码损失的前提下，有效地降低MVC的计算复杂度，该文对宏块帧内模式和帧间模式的关系进行了分析，在此基础上，提出了一种宏块帧间预测模式的快速选择算法。
1 JMVM编码方案中最佳预测模式的选择方法
在JMVM编码方案中，帧内预测的模式有：帧内16×16(记作Intra16×16)、帧内8×8(记作Intra8×8)和帧内4×4(记作Intra4×4；帧间预测的宏块模式有：SKIP、帧间16×16(记作Inter16×16)、帧间16×8(记作Inter16×8)、帧间8×16 (记作Inter8×16)、帧间8×8(记作Inter8×8)、帧间8×8Frex(记作Inter8×8Frex)。其中Inter8×8模式进一步分为帧间8×4(Inter8×4)、帧间4×8(记作Inter4×8)和帧间4×4模式(记作Inter4×4)。
JMVM编码方案以宏块为单位进行预测时，依次进行宏块的SKIP、Inter16×16、Inter16×8、Inter8×16、Inter8×8、Inter8×8Fre×模式的帧间预测，再进行Intra16×16、Intra8×8和Intra4×4模式的帧内预测，采用率失真优化技术从中选择最佳的宏块预测模式。率失真代价函数见公式（1）：
（1）
其中，MODE表示宏块的帧间预测模式，J表示MODE模式下的率失真代价，s为原始视频信号，c为采用MODE模式编码后的重构视频，λMODE为拉格朗日因子，R(S,C,MODE)表示MODE模式下的编码比特数，SSD表示原始视频S和重构视频C之间的平方差和。根据率失真代价函数，从上述的预测模式中，选择率失真代价最小的模式作为宏块的最佳预测模式。
2 一种宏块帧间预测模式的快速选择算法
帧内预测所花费的时间仅占整个预测过程的很小一部分，而帧间预测所花费的时间要占到整个预测过程的绝大部分。因此，该文将如何降低帧间预测的计算复杂度作为研究内容。
2.1 宏块帧间预测模式的快速选择算法思想
该文在进行预测编码的过程中，将帧内预测和帧间预测的顺序进行了调整，首先，以宏块为单位完成Intra16×16、Intra8×8、Intra4×4模式的帧内预测后，记录最佳的帧内预测模式BestMode_Intra；接着，依次执行SKIP、Inter16×16、Inter16×8、Inter8×16、Inter8×8、Inter8×8Frex模式的帧间预测，得到最佳预测模式BestMode；最后，统计BestMode为Inter8×8或者Inter8×8Frex时宏块的最佳帧内预测模式。结果表明： BestMode为Inter8×8模式的所有宏块中，对于测试序列“Akko&Kayo”、“Rena”、“Ballroom”和“Exit”，其中超过96%的宏块满足公式（2）所示的条件；对于测试序列“Flamenco2”、“Race1”，则超过99%的宏块满足公式（2）所示的条件。条件（2）等同于条件BestMode_Intra!=Intra16×16。基于以上的统计结果，我们考虑只将满足条件（2）的宏块进行Inter8×8和Inter8×8Frex模式的帧间预测，不满足条件（2）的宏块将不再进行Inter8×8和Inter8×8Frex模式的帧间预测。
（2）
其中，CostSKIP、Cost16×16、Cost16×8、Cost8×16分别表示选择SKIP、Inter16×16、Inter16×8和Inter8×16模式进行帧间预测后各自的率失真代价。
基于上述的统计结果，该文提出了一种宏块帧间预测模式的快速选择算法，见图1。图1中的T表示倍数因子，在区间[1，1.5]之间进行取值，其取值越小，编码时间越短，编码损失也就随之越大。
2.2 宏块帧间预测模式的快速选择具体实现
参照图1，首先进行宏块16×16、8×8、4×4模式的帧内预测，得到最佳帧内预测模式BestMode_Intra；然后进行SKIP、16×16 的帧间预测，得到各自的率失真代价CostSKIP和Cost16×16，判断条件Cost16×16
3 实验结果
在本实验中，该文使用了以下的测试序列：“Akko&Kayo”，“Ballroom”，“Exit”，“Race1”，“Flamenco2”，“Rena”。分别使用不同的方法对上述的测试序列进行了测试。
以JMVM编码方案为基准，分别从ΔPSNR、Δbitrate、Δtime三个方面对不同的方法进行比较。得出以下结论：对于采用的测试序列，在最佳预测模式为Inter16×8的所有宏块中，约有97%的宏块满足条件Cost16×16
（3）
表1给出了采用该文提出的方法和原方法的实验结果比较，从表中可以看出，在几乎不引入编码损失的前提下，可以节省约53%的编码时间。
4 结束语
该文对帧间预测模式和帧内预测模式的关系进行了分析，在此基础上提出了一种宏块帧间预测模式快速选择算法。实验结果表明，相对于JMVM编码方案，采用该算法在仅引入很小编码损失的前提下，能够有效地降低MVC的计算复杂度。
参考文献：
[1] Huaiyi Pan,Feng Pan, Development of Multi-view Video Coding Using Hierarchical B Pictures[C].in Congress on Image and Signal processing,2008,1(27-30):497-503.
[2] Merkle P., Smolic A.; Muller K. and Wiegand T., "Efficient prediction structures for multi-view video coding"[J]. IEEE Transaction on Circuit and Systems for Video Technology, 2007,17(11):1461-1473.