高效视频编码帧内预测算法
摘 要 文章首先从高效视频编码的产生和发展角度出发，对当前存在于HEVC框架之下的主要不足之处加以分析，并且给出了对应的优化意见，指出帧内预测是可以切实对HEVC实现改善的重要途径。
【关键词】高效视频编码 HEVC 帧内预测
1 前言
高效视频编码（HEVC，High Efficiency Video Coding）作为当前新一代主流的视频编码标准，其发展历程可以追溯到2004年，当时ITU-T视频编码专家组（VCEG）着手研究更具效率的视频压缩标准，成为了HEVC的起步标志。但是一直到2012年2月10日于美国圣何塞召开的第99届MPEG会议上，MPEG组织和ITU-T组织才对多年的研究加以认可，并且决定在次年1月，同时在ISO/IEC和ITU-T发布HEVC标准的最终版本。HEVC编码标准支持从320×240到7680×4320像素范围内的分辨率，与其之前执行的H.264/AVC标准相比，HEVC的高保真度视频图像压缩效率提升了一倍左右，在理想的情况下，面对相同视频图像质量要求，视频流的码率能够减少一半，从而实现对于不同网络环境的更优适应，同时支持多核并行编解码。
2 高效视频编码帧内预测算法
在HEVC实现的过程中，虽然高性能以及实现了有效控制的码率成为其重要的突出特征，也因此保持了面向网络环境的友好，但是对应的计算复杂程度，却成为其长期发展过程中不容忽视的重要问题，在未来随着流媒体传输需求的增加，必然会影响到编码时间。因此当前对于HEVC改进的研究重点，即在于降低算法复杂程度领域。对于这一方面的研究，多集中于帧内预测领域，作为HEVC编码算法框架中复杂程度最高的环节，对其展开优化研究，于实现HEVC算法简化而言有着重要意义。
当前对于帧内预测算法优化的研究主要从两个方面进行：
（1）即在展开帧内预测工作之前，通过块类型预测判断，或者提前终止的思想，来针对需要编码的图像预估其适用的编码单元类型，从而实现对于并不适用该图像纹理的编码块类型进行拣选跳过，降低算法整体复杂程度同时有效缩短编码时间。
（2）通过低复杂度的方法提前对可能性有限的预测模式进行排除，从而实现RDO模式之下，候选帧内预测模式数目的缩减，最终实现算法的简化。
当前技术领域中，对于HEVC算法简化的研究层出不穷。四叉树递归编码单元结构，以及遍历枚举的运算方法，已经无法适用于当前流媒体空前繁荣的数据环境。目前在算法优化领域中国，基于率失真（RD，Rate-distortion）代价函数而对四叉树实现提前终止的帧内预测块划分方法是相对而言效果显著的一种。
HM10.0作为HEVC的参考模型，采用了树形结构和递归模式进行编码单元块（CU，Coding Unit）的划分，而CU采取深度优先遍历递归方式工作，从树根最大编码单元（LCU，Largest Coding Unit）开始，依次对其相邻节点展开搜索和访问。参考模型实现对于四叉树上每个节点的遍历之后，计算出对应的节点权重，即当前层次编码单元CU的率失真代价RDCost。如果四个子CU的RDCost总和大于其对应单元CU的RDCost，则当前CU编码无需进一步划分，否则需要进行进一步的划分。在实现过程中，首先对所有角度的预测模式采用基于HAD（Hadamard transform Absolute Difference）函数来计算代价，而后对其展开代价排序，选出代价最小的候选模式。而后从相邻编码单元中推导出最有可能模式，确定候选模式集合中包含有此种可能模式。最后采用SSE（Sum of Square Error）代价函数计算诸候选模式代价，最终选出RDCost最小的模式作为最佳预测模式。
为了确定出CU的最佳代价，需要搜寻每一个可能的模式，在这个过程中所产生的浪费成为阻碍HEVC效率提升的关键。如果当前CU的深度是逼近最优的，那么停止进一步的分裂所导致的损失必然可以忽视，但是对于整体算法速度的提升却有着至关重要的价值。可以考虑明确一个阈值，当RDCost小于该阈值的时候，即可以认定已经满足编码需要，可以停止进行下一层次的迭代递归计算。在这一思路的指导之下，如何选择一个合理的阈值，成为确保HEVC体系工作效率和质量平衡的重要环节。
在原来的计算体系中，最佳阈值被定义为尽量控制码率失真，但是为了实现算法的简化，可以将目标重新定义为最接近HM的决策结果，决定是否对当前单元展开进一步的分割。如果在HM中加入数据统计模块，来实现对于每一个待分割单元分割选择 并且确定对应的测定结果，分别对不同大小的块的条件概率分布进行计算，则有错误率的表达参见式（1）：
式（1）中，T为阈值。因此当存在有满足式（2）约束条件的阈值，则可以确定为最佳阈值，即为两条曲线的交点。
依据这一方案，处于运算环境中的每个序列和量化参数（QP，Quantization Parameter）只需要一次编码迭代就可以得到对应的阈值，计算复杂程度大大得到控制。
3 结语
为了降低HEVC编码复杂度，减少编码时间，该领域的相关工作人员付出了长期的努力展开研究。随着相关技术的不断成熟，以及需求侧的推动力量加强，帧内预测算法的优势也开始日渐突出，未来必然能够成为支持HEVC實现优化的重要动力。
参考文献
[1]李维，张和仙，杨付正.高效率视频编码快速模式判决算法[J].西安交通大学学报，2013（08）.
[2]甘勇，赵晓荣，李天豹，等.基于图像特征的HEVC快速帧内预测算法[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2014（01）.
作者单位
中国人民解放军92124部队 辽宁省大连市 116021
