HEVC量化编码介绍

介绍

● 视频编码中,残差信号经过DCT,变换系数具有较大动态范围,因此对变换系数量化可以有效减小信号取值空间,获得更好的压缩效果;
● 多对一映射机制,所以不可避免的引入失真,这是视频编码中产生失真的根本原因;
● 量化器分为标量量化器和矢量量化器,其中标量比较简单,主流的图像、视频编码都采用的是标量量化器;

标量量化

● 有损编码中,标量量化 (Scalar Quantization, SQ)是一种最基本的量化方法,它是指将一个幅度连续的信号映射成若千个离散的符号;
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● 标量量化还有另外一种表示形式,输入信号经量化后被映射为某些用于表示重建值的索引号l,l经反量化过程后可得到重建值;
● 由于重建值与其素引号有着一一对应的关系,因此这两种量化形式在本质上是统一的;
● 利用素引号表示重建值往往具有更加统一和简单的形式,因此在图像和视频编码中,更多地采用后者的形式;
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● 均匀标量量化
○ 均匀标量量化(Uniform Scalar Quantization)是一种最简单的标量量化方法;
○ 它将输入值域划分成等距的区间,每个区间对应的输出值 (即重建值)为该区间的中点;
○ 区间的长度称为量化步长(Quantization Step);

● 量化误差衡量准则
○ MSE:Mean Square Error,均方误差
○ SNR:Signal-to-Noise Ratio,信噪比
○ PSNR:Peak-Signal-to-Noise Ratio,峰值信噪比

● Lloyd-Max 量化器
○ 最优标量量化器,利用MSE作为失真衡量准则;
○ 约束条件是给定了重建值数目;

● 熵编码量化器
○ 某些情况下,Lloyd-max并不是最优,熵编码才是最优;

h265中量化

● 采用传统的标量量化器,ci表示DCT系数,Qstep表示量化步长,f表示修正系数,li表示量化后值,floor(.)表示向下取整;
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● h265规定了52个量化步长,对应52个(0~51)量化参数QP(Quantization Parameter);
● QP每增加1,Qstep增加约12.25%,QP每增加6,Qstep增大一倍;
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● 色差信号量化参数限制在0~45;
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● RDOQ
○ 率失真优化量化 ( Rate-Distortion Optimized Quantization, RDOQ)其主要思想是将量化过程同率失真优化(RDO)准则相结合,对于一个变换系数,给定多个可选的量化值,并利用RDO准则从中选出一个最优的量化值;

● 量化参数
○ 在视频编码中 ,QP是非常重要的参数,它直接影响着视频的编码比特率;
○ h265制定了灵活的QP控制机制,引入量化组(Quantization Group,QG)概念,规定一个CTB可以包含一个或多个固定大小的QG,同一个QG内的所有含有非零系数的CU共享一个QP,不同的QG可以使用不同的QP;
○ QG是指将 一幅图像分成的固定大小(NxN)的正方形像素块,其大小 N 由图像参数集(PPS)指定,且必须处于最大CU与最小CU 之间(包含最大与最小CU);
○ QG与CU没有固定大小关系, 在一幅图像中 ,QG为固定大小,而CU是根据视频内容自适应划分出来的,因此可能出现 一个QG包含一个或多个CU的情形,也可能存在一个CU包含多个QG的情形;
○ 在h264中,量化参数QP采用了预测编码的形式,只需要对实际QP与预测QP的差值进行编码,以避免直接编码QP所耗费的比特数;在h265中,使用相邻己编码QG的信息来预测当前QG的QP,这样能够使QP的预测更加准确;
○ h265以CU作为单元进行解码,因此QP的解析也是以CU为单元;

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