第ｌ４卷第８期 ２０ｌ５年８月 软件导刊 Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｇｕｉｄｅ Ｖｏ１．１４ＮＯ．８ Ａｕｇ．２Ｏｌ５ 新一代视频编码标准Ｈ ＥＶＣ帧间 预测插值滤波技术 吴 笛，任 李 （警官学院信息工程系，四川成都６１００３２） 摘 要：新一代视频编码标准ＨＥＶＣ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ－－高效率视频编码）目前采用基于ＤＣＴ的插值滤 波技术（ＤＣＴ－Ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ Ｆｉ１ｔｅｒ（ＤＣＴＩＦ）），与传统滤波器相比，在降低复杂度的同时，其压缩性能获得了较大 提升。由于ＤＣＴＩＦ技术提案理论部分论述较少，且没有与传统编码滤波技术作实验对比。为此，详细 萎了ＤｃＴＩＦ 滤波原理，分析了插值计算过程和滤波系数的计算。同时，对Ｈ．２６４／ＡＶＣ传统滤波以及定向自适应辐值滤波器 （ＤＡＩＦ）和ＤＣＴＩＦ作了对比试验。实验表明，对于各种分辨率的视频，比较Ｈ．２６４／ＡＶＣ传统插值滤波和定向自适应 插值滤波器（ＤＡＩＦ），码率分别平均降低了４２．１５ 和３５．４７ 。 关键词：高效率视频编码；ＤＣＴ插值滤波；码率；定向自适应插值滤波器；Ｈ．２６４／ＡＶＣ ＤＯＩ：１０．１１９０７／ｒｊｄｋ．１５１８９９ 中图分类号：ＴＰ３Ｏｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７８００（２０１５）００８—００１９—０３ Ｐ（口）为： ０ 引言 新一代视频编码标准ＨＥＶＣ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ） ］，其核心目标是在Ｈ．２６４／ＡＶＣ ｈｉｇｈ ｐｒｏｆｉｌｅ＿２ 的 基础上，压缩效率提高一倍，即在保证相同视频图像质量 Ｐ（ａ）一（∑Ｍ一 Ｒｅｆ × （ａ）＋２口－ ）＞＞Ｑ（１） 上式中，Ｍ为滤波器抽头数的一半，船厂 为一维滤 波的输入，即整数位置像素值组成的向量Ｒｅｆ一 ＋ ， Ｒｅｆ一 ＋ ，…，ＲｅｆＭ， （口）表示位于Ｒｅｆｏ和Ｒｅｆ１之间ａ 分数位置像素的滤波系数，Ｑ为滤波系数所用的比特数。 的前提下，视频流的码率减少５Ｏ 。在提高压缩效率的 同时，可以允许编码端适当提高复杂度。 增大Ｑ的值可以更加精确地表示滤波系数，但同时也会 增加所需的内存容量和传输带宽。 １．２插值计算过程 ＨＥＶＣ根据高分辨率视频的特点，同时兼顾低分辨 率视频，采用基于ＤＣＴ的插值滤波器（ＤＣＴ＿ＩＦ）。该滤波 器具有以下特性：①滤波器能够通过整数位置已重建像素 ＤＣＴＩＦ是二维可分离滤波器，图１为图像像素亮度 直接通过差值准确地计算出任何分数位置的像素；②由于 滤波器采用无级联方式，不仅简化了运动补偿过程，同时 分量的四分之一像素运动估计，８抽头ＤＣＴ—ＩＦ滤波示 意图，深色部分为整数位置像素，Ｑ＝６。 具体步骤如下： （１）水平分数位置像素ａ、ｂ、ｅ通过一维水平ＤＣＴ—ＩＦ 滤波器，由下式计算得到： 也降低了计算复杂度；③滤波器对于更精确分数位置的像 素，如１／８，１／１２等采用与半像素及１／４像素统一的滤波 方式，算法具有较好的扩展性。 口一（∑一４。Ｉ Ｘ ｆ ÷）＋３２）＞＞６，Ｙ：ｏ （２） １ ＤＣＴ－ＩＦ插值滤波计算过程 １．１分数像素运动估计 ｂ一（∑４一。 ×，（ ）（丢）＋３２）＞＞６，Ｙ一０ （３） 目前，通过ＨＥＶＣ测试软件ＨＭ１１．０ ，对于低复杂 度和高效率两种编码模式采用统一的８抽头ＤＣＴ—ＩＦ。 ｆ＝（∑一４。 Ｘ厂（ ，（｝）＋３２）＞＞６，Ｙ：０ （４） 任意 ∈［～（Ｍ～１），Ｍ］（Ｍ为整数），分数位置像素值 基金项目：国家自然科学基金项目（６１４７１２４８）；四川省应用基础计划项目（２Ｏ１５ＪＹ０１８９） 作者简介：吴笛（１９８２～），男，安徽贵池人，博士，警官学院信息工程系讲师，研究方向为通信与信息系统。 软件导刊 ２０１５年 圆 圆 量 圈豳 团 圆 圈圆 圈 ㈤ 圜 豳 ｎ一（∑ ）×ｆ ＿ｖ】（ ）＋３２）＞＞６，ｙ—ｏ （１５） 。一（∑４一。 ）×，（ （导）＋３２）＞＞６，ｙ—ｏ （１６） ａ ｂ Ｃ ｅ ｆ ｇ ｄ１ ，～ —— ｈＯ １ Ｊ ｋ ｈ１ １０ ｍ ｎ１ 围 圈 圈 圈 豳 圆 圈 豳 豳 嘲 鳓 式中，ｘ，ｙ表示像素坐标，ｆｃ 寺 、ｆｃ１ 寺）、９ ／ （导）分别表示在 １、 ２、 ３位置像素的８抽头 ＤＣＴ—ＩＦ滤波系数。 （２）垂直分数位置像素ｄ（ｘ）、ｈ（ｘ）、ｎ（ｘ）通过一维垂 直ＤＣＴ－－ＩＦ滤波器，由下式计算得到： ｄ（ｚ）一（∑ ｋ ×凡 （丢）＋３２）＞＞６（５） 矗（ ）一（∑ ×＾ （手）＋３２）＞＞６（６） №）一（∑ Ｙ…。 ∞×凡 （丢）＋３２）＞＞６ （７） （３）其它分数位置像素ｅ、ｆ、ｇ、ｉ、ｊ、ｋ、Ｐ、ｑ、ｒ，根据先 前计算出的ａ、ｂ、ｃ、ｄ（ｘ）、ｈ（ｘ）、ｎ（ｘ），通过水平一维ＤＣＴ ＩＦ滤波器，由下式计算得到： （∑４一。 （ｚ）×ｆ 丢）＋３２）＞＞６， —ｏ （８） ／’一（∑：一 （ｚ）×凡 手）＋３２）＞＞６， —ｏ （９） ｇ一（∑ （ ）×凡 （导）＋３２）＞＞６， 一０ （１０） 一（∑ （－ｚ）×＾．１ｖ）（｛）＋３２）＞＞６， 一０ ｆ１１ 一（∑：一。 （ ）×厂（ ‘ ２）＋３２）＞＞６， —ｏ （１２） 是一（∑ 矗（ ）× （导）＋３２）＞＞６， —ｏ （１３） 一（∑ 一。ｚ（ｚ）×， ‘ １）十３２）＞＞６， —ｏ 由上述插值计算过程可以看出，与ＡＩＦ和ＤＡＩＦ对每 个像素单独进行滤波计算不同，ＤＣＴＩＦ对于任意分数位 置像素，均采用同样模式的一维滤波器进行插值计算，且 整个滤波器为非级联方式，运算复杂度较小。 ２ ＤＣＴ—ＩＦ滤波原理及其滤波系数 假设｛Ｐ ｝， 一一（Ｍ一１），…，Ｍ为一平滑函数Ｐ（ｚ） 整数点上的值，则可以通过ＤＣＴ得到其变换系数Ｃ ： 一 ｌＰ（１）ｃｏｓ（ ） ， 通过ＤＣＴ反变换可以得到整数点位置ｚ一一（Ｍ一 １），一（Ｍ一２），…，Ｍ的值： 加）一 Ｃ￣（ ）一∑ ｃｏｓ（ ） （１８） 分数位置点的位置可以根据公式１９得到： ））一一∑ｃ蓍Ｃｋ ｃｏｓ（ ）１ （１９） 对于插值滤波具体分为两步： （１）把输入向量＆， 通过一变换核函数进行分解表 示，其整数位置像素值Ｐ 为： Ｐ ：∑ （ ） （２０） （２）对公式（２０）作ＤＣＴ反变换，进行尺度为ａ的相 移，即得到 分数位置像素的值Ｐ ： Ｐ 一 （－ｚ。＋ａ）（２１） 因此，滤波系数为前向ＤＣＴ变换矩阵Ｄ和ＤＣＴ反变 换矩阵叫 的乘积： 厂 ）＝训 ）Ｄ （２２） 为整数位置的像素ＤＣＴ变换矩阵，其矩阵中的元素 由公式（２３）得到： １ ： ｃ。ｓ（ 二 ４Ｍ± 、』 （２３） 其中，０≤ｉ≤２Ｍ一１，一Ｍ＋１≤．，≤Ｍ。 叫 为 分数位置的像素ＤＣＴ反变换矩阵，其矩阵中 的元素由公式（２４）得到： ｆ ／ ， 。 ， ｛Ｉ 。∞ （ ｆ —— 丽～１） ，１≤ ≤ Ｍ 一１一¨ ） （２４） 由公式（２２）可以看出，ＤＣＴＩＦ的滤波系数是固定的， 相比ＡＩＦ和ＤＡＩＦ对于每个分数位置像素不断调整滤波 系数，ＤＣＴＩＦ运算量减少较多。从公式（２２）看，系数计算 复杂度较高，但由于在实际测试软件中，能够以无乘法运 第８期 吴笛，任李：新一代视频编码标准ＨＥＶＣ帧间预测插值滤波技术 ・２１． 算实现ｌ＿６］，实际运算只包含位移和加法，所以ＤＣＴＩＦ的运 算复杂度与ＡＩＦ和ＤＡＩＦ相比小很多。表１为８抽头滤 波系数表，每个滤波系数用６ｂｉｔ表示。这里同时给出了计 算滤波系数的运算次数。表中只列举了分数位置ａ≤１／２ 时的滤波系数，ａ＞１／２时，根据镜像对称原理计算得到： （１一ａ）一ｆ－ （ｄ）（２５） 表１ ＤＣＴＩＦ８（６ ｂｉｔｓ）滤波系数（１／４像素运动估计） ３实验结果及分析 由于测试软件存在整体差异，很难精确评估ＤＣＴ ＩＦ 与ＤＡＩＦ两者编码性能的差异。文献［４］说明了在ＨＥＶＣ 测试软件中单独开启ＤＣＴＩＦ时的编码效率，其结果对整 体实验效果影响较小。 图２为ｗＱＶＧＡ（４１６ｘ２４０）和７２０ｐ（１２８０ｘ７２Ｏ）测试 序列Ｒ－Ｄ的曲线图（ＱＰ一２２，２７，３２，３７） ］。从图中可以 看出，对于低分辨率格式的视频，在相同ＰＳＮＲ值下，ＤＣ— ＴＩＦ码率较ＤＡＩＦ和Ｈ．２６４／ＡＶＣ最大分别降低了２６ 和３９ ，平均分别降低了２２．３ 和３１．８ ；对于高分辨率 视频，ＤＣＴＩＦ码率较ＤＡＩＦ和Ｈ．２６４／ＡＶＣ最大分别降低 了４８ 和５６ ，平均降低了４３ 和５２．５ 。 一一一强弧 鹳 舵 弧 图２ ＷＱＶＧＡ和７２０ｐ序列Ｒ－Ｄ曲线图（１ｏｗ ｄｅｌａｙ） Ａ Ａ 表２为与ＤＡＩＦ比较各分辨率视频码率减小百分比 情况。ＣＳ１、ＣＳ２为两种编码配置设置，分别对应随机访问 点（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ）即增加Ｉ帧数目，和低延时算法（１ｏｗ ｄｅｌａｙ） 。 表２中，在ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ和ｌｏｗ ｄｅｌａｙ两种编码配置 条件下，针对所有测试序列，其码率平均减小了４３．７２ 和３５．４７ ；其中，Ｂ类（１０８０ｐ）和Ｃ类（８３２ｘ４８０）序列码率 降低最为明显，分别为４８．１７％、５１．６１ （ＣＳ１）和 ３８．３３ 、３４．４５ （ＣＳ２）；ＢＱＴｅｒｒａｃｅ序列码率降低最高， 达到了５８．６５ 和５４．２５ ；码率降低最少的为Ｄ类序列 （４１６ｘ２４０），其中ＢＱＳｑｕａｒｅ序列码率降低最少，但也达到 了４０．９３ 和１９．１７ 。通过表２可以看出，ＤＣＴＩＦ对于 各种分辨率视频，无论是在ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ或ｌｏｗ ｄｅｌａｙ编 码条件下，其编码效率都有较大提升。 ４ 结语 比较ＡＩＦ及ＤＡＩＦ，ＤＣＴＩＦ采用固定系数进行插值运 算，不需要针对每个子像素进行最佳滤波系数选择，再加 上ＤＣＴＩＦ在测试软件中实现了无乘法运算，只有位移和 加法，并且对滤波系数进行了优化，减少了运算次数，降低 了算法复杂度。实验证明，在ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ或ｌｏｗ ｄｅｌａｙ 编码条件下，其码率分别降低了４３．７２％和３５．４７ ，对于 高分辨率视频编码效率提升尤为明显。对于４Ｋ （２５６０ｘｌ６００）的超高分辨率视频，ＤＣＴＩＦ编码效率有所降 低。因此，进一步提高针对超高分辨率的视频编码效率是 未来的研究方向。 表２与ＤＡＩＦ比较各分辨率视频码率减小百分比 ２９．２６ Ｎ／Ａ Ａ（４Ｋ） ４８．１７ ３８．３３ ５１．６１ ３５．４５ Ｃ（ＷＶＧＡ） ～～一～一一～～一～一一一４５．８５～ ～ ２７。０９ Ｄ （ＷＱＶＧＡ） 地地 ∞ 丌 蛾 ∞ 蛾 ％ ∞Ａ Ａ Ａ 蚰 Ｎ／Ａ ４０．９９ 整体平均减小 Ｓ昌∞ 弧 眠戗 髂 狃 弘” ∞ｎ 蛾 参考文献： ［１］ＷＩＥＧＡＮＤ Ｔ，ＯＨＭ Ｊ，ＳＵＬＬＩＶＡＮ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｐｅｃｉａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｃａｌｌ ｆｏｒ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｏｎ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｉｎｇ（ＨＥＶＣ） ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，２０（１２）：１６６１． ［２］ ＷＩＥＧＡＮＤ Ｔ，ＳＵＬＬＩＶＡＮ Ｇ，ＢＪＯＴＥＧＡＡＲＤ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｈ．２６４／ＡＶＣ ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ［Ｊ］．Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１３（７）：５６０—５６７． ［３］ Ｓｖｎ—ＨＥＶＣＳｏｆｔｗａｒｅ—Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ４５２９：／ｔａｇｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐｓ：／／ ｈｅｖｃ．ｈｈｉ．ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ．ｄｅ／ｓｖｎ／ｓｖｎ—ＨＥＶＣＳｏｆｔｗａｒｅ／ｔａｇｓ／． ［４］ＨＡＮ Ｗ Ｊ，ＭＩＮ Ｊ，ＫＩＭ Ｉ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｖｉｄｅｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｅｆ— ｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｕｎｉｔ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉ０ｎ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｘ— ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｄｉｎｇ ｔｏｏｌｓ［Ｊ￣．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，２０（７）：１７０９． ［５］ ＢＪＯＮＴＥＧＡＡＲＤ Ｇ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅ ＰＳＮＲ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅ— ｔｗｅｅｎ ＲＤ ｃｕｒｖｅｓＥＳ￣．１３ｔｈ ＶＣＥＧ Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ａｕｓｔｉｎ，２００１，ＶＣＥＧ－ Ｍ３３． ［６］ＩＳＯ／ＩＥＣ ＪＴＣ１／ＳＣ２９／ＷＧ１１．Ｊｏｉｎｔ ｃａｌｌ ｆｏｒ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｏｎ ｖｉｄｅｏ ｃｏｒｎ— ｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｓ］．Ｐｒｏｃ ９１ｓｔ ＭＰＥＧ Ｍｅｅｔｉｎｇ，２０１０． （责任编辑：黄健）
