刘勇

（上海海事大学 信息与工程学院，上海201306）

一种基于SATD的帧内预测算法

刘勇

（上海海事大学 信息与工程学院，上海201306）

基于减少视频编码复杂度的目的，本文采用一种基于SATD的帧内预测模式选择算法，该算法首先计算出35种预测模式所对应的SATD值，然后通过MPM选择出最有可能预测模式，并计算出最有可能预测模式所对应的SATD值和35种预测模式所对应的SATD值的均值，并作为阈值T。接着将35种预测模式对应的SATD值与阈值T比较，排除可能性小的预测模式，避免不必要的计算，从而降低帧内预测编码的复杂度。通过HM10.0仿真试验，结果表明在图像质量没有明显下降的情况下，节省了大量的编码时间。

帧内预测；SATD；MPM；阈值

当今视频技术的飞速发展，尤其是高清（HD）、超高清（UHD）、3D 和多视点（Multi Views）视频技术，据统计，2015年视频流数据占据整个互联网流量高达90%之多。虽然近年来迅速提升了网络带宽和存储能力，但是也远不能满足海量视频数据的传输和存储要求。

HEVC视频编码仍然采用的是常见的基于块运动补偿的混合视频编码模式，但在先前的标准的基础上有了多处重要的改进，视频编码效率得到了显著提高：在相同的图像质量前提下，与H.264/AVC高档次（high profile）比较，压缩率约提高一倍。同时，HEVC支持各类规格的视频，从 QVGA（320×240）到1 080 p（1 920×1 080），直至超高清视频 4 320 p（7 980×4 320）。

1 帧内预测

1.1 预测单元

HEVC是以块为基本单位进行视频编码，在编码的过程当中，可以将每一帧的图像分割成若干个图像块，对每个图像块依次编码。HEVC采用了更加灵活的编码块结构，其中，CU为编码块的基本单元；PU是在CU的基础上进行的进一步递归分割得到，是预测的基本单元；则TU是变换的基本单元，能适合内容不同的图像。

1.2 帧内预测模式

帧内预测技术是利用相邻像素之间的空间相关性对当前编码块进行预测的一种编码技术，能够有效的去除空间冗余信息。在H.264视频编码标准中，帧内预测模式采用的是16*16和4*4两种预测模式，且分别只有9种和4种预测方向。，为了能够提供更精确的预测和提高帧内预测的编码效率，HEVC标准在H.264的基础上做了很多的改进，其中包括PU的尺寸从原来的4*4与16*16两种预测模式增加到4*4到64*64，并且增加了多种帧内预测模式，其中分别包括33种角度预测模式，DC模式以及平面（planar）模式。如图1所示。

图1 帧内预测模式编号

1.3 模式选择过程

在HEVC视频编码的过程中，在得到PU块的最优模式之前，需要采用率失真代价（Full RD-cost）来遍历35种预测模式，（最大编码单元为64×64，最小编码单元为8×8），并选择率失真性能最好的预测模式为当前编码块的最佳预测模式，过程如下[5]：

Step1：对当前编码单元尺寸上的预测模式进行率失真代价计算，遍历35种预测模式，得到其最有可能的预测模式，代价函数，以及编码单元深度等信息。

Step2：将当前编码单元分割成4个更小的编码单元，再进行step1的计算。

Step3：若当前编码块大于8×8尺寸的编码单元，则转到step2；若等于8×8尺寸的编码单元，则跳过。

Step4：对所有划分方式进行率失真比较，得出编码单元的最优分割方式，并储存最小的率失真代价（RD-cost）。

2 基于SATD快速帧内预测算法

预测差值与模式选择直接影响编码的效率和质量。对预测差值进行Hadmard变换，然后计算变换系数的绝对和得到SATD（sum of Absolute Transformed）由于SATD与率失真（RD）性能具有很强的相关性，所以SATD可以作为重要的判断依据，将可能性小的预测模式排除掉，大大的缩小了模式选择的范围，从而降低视频编码的复杂度。本章所提出的基于SATD的快速帧内预测模式选择算法内容如下：

方案1：

首先计算出35种预测模式所对应的SATD值，然后，通过其左边块和上边块的模式来预测出最有可能预测模式MPM，并将当前块的最有可能预测模式MPM的SATD值作为阈值T1，最后将35种预测模式的SATD值与阈值T1进行比较，排除可能性小的预测模式，避免不必要的计算，从而降低帧内预测的编码复杂度。流程图如图2所示：

方案2：

将方案1中的阈值T1更换为35种预测模式所对应预测块的SATD值的均值T2。

具体算法流程如图2所示。

图2 流程图

3 实验结果及仿真

仿真采用的是HM10.0代码，实验平台为CPU 2.4 GHz Intel Core i5、内存 6 GB、操作系统为Windows 7的32位计算机，运行环境是Microsoft Visual Studio 2010， 分别在 QP 值为 28、32、36 3 种情况下对5组视频序列进行测试。对每个序列的前50帧进行编码。比较编码效率的参数指标有PSNR增量 （△PSNR）， 码率增量 （△Bitrate） 和编码时间（△Time）计算公式如下：

4 仿真结果分析

从表1、表2和表3中可以看出，方案1与方案2相对于HM10.0，在保证率失真性能没有明显下降的前提下，整体编码时间都大大降低。本文采用基于SATD算法来筛选帧内预测模式，减少了率失真优化过程带来的高计算复杂度，因此编码时间进一步减少，方案1与HM10.0相比降低了大约10%~13%，方案2较HM10.0降低了13%~16%。

表1 QP=32实验数据

表2 QP=28实验数据

表3 QP=36实验数据

5 结束语

本文算法首先计算出35种预测模式的SATD值，并求得其均值与当前块的最有可能预测模式MPM的SATD值分别作为阈值T2，T1。然后将35种预测模式所对应预测块的SATD值与T1、T2进行比较，排除可能性小的预测模式。仿真结果表明，本文算法在保证率失真性能的情况下，降低编码的复杂度，大大节省了编码时间。

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A based on SATD intra prediction algorithm

LIU Yong
（College of Information and Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Based video coding to reduce the complexity of the object，this paper presents a selection algorithm based on the intra-frame prediction of SATD ，the algorithm calculates the 35 kinds of prediction modes corresponding to the SATD value firstly，then selects the most likely prediction mode by MPM，and calculates the most likely SATD value of prediction mode and the means of SATD value corresponding to35 kinds of prediction modes and as the threshold value T.Then we calculate 35 kinds of prediction modes SATD value that is then compared with a threshold value T in order to exclude the less possibility prediction mode and avoid unnecessary computations，thereby it reduces the complexity of estimated intra-coded.By HM10.0 simulation test，the results show that under the premise of no significant drop in the image quality，the encoding time can be saved a lot.

intra-frame prediction；SATD；MPM；threshold value

TN919.8

A

1674－6236（2017）12-0023-04

2016-04-21稿件编号：201604206

刘 勇（1990—），男，安徽池州人，硕士研究生。研究方向：视频编码与压缩。