概述
H.264 Quantizer
一般的量化器,可用下面的公式来表示:
Z=±⌊|W|△⌋
反量化可表示为:
W′=△⋅Z
量化步长 △
决定了量化器的编码压缩率与图像精度。如果 △ 比较大,相应的编码长度较小,图像细节损失较多;如果 △ 比较小,相应的编码长度较大,图像损失细节较少。编码器需根据实际图像来改变 △值。
Quantization Offset
可以看到,这种量化器是求下整,也就是会把区间 [0,△)
的值量化成0。这种量化器显然不是最优的,最优的量化器在某区间上的量化值应该为该区间的期望值。为此需要知道残差变换系数的统计分布,这个分布是经过统计实验得出来的,其中帧间比帧内分布得更为集中。
为了表明分布集中于区间的期望值,引入了参数——offset(量化偏移量) f
。相应的量化公式变为:
Z=±⌊|W|+f△⌋
反量化保持不变:
W′=±(△⋅Z)
H.264参考模型建议:当帧内预测时 f=△/3
,帧间预测时 f=△/6。
另外参数 f
可以控制量化死区(量化后为0区域)大小。
当 f
变大时,量化死区减少;当 f 变小时,量化死区增加。死区大小可以直接影响到视频图像的主观质量。变换后,图像高频部分的数值比较小,也就是说离0值比较接近。如果死区比较大,0值附近的值会被量化为0,则图像会损失这些细节。这个特性在电影中特别有用:在电影胶片上会随机分布着一些斑点,这些斑点是胶片化学物质的结晶体,由于这些斑点与视频的内容在时间、空间上的不相关性,其值没法在预测模块中预测到。因此这些斑点表现为变换后的一些小的高频系数。为了消除这些斑点,可取较小的 f 值,这样量化死区就会较大。在字幕区域的细节比较多,可对字幕区域取比较大的 f值。
从上方的例子可以看出,死区特征的应用是与应用直接相关的,最好能根据不同的应用相应加以调整。
我们注意到通过参数 f
可以控制量化区间的偏移,以及控制死区大小。两者耦合在一起了。JVT-K026有个直接的解耦方法:加入一个新的参数 Θ来控制量化死区的大小,并将量化公式修改为:
Z=±⌊|W|+Θ+f△⌋
W′=±(△⋅Z−Θ)
但是这种方法并没有被标准采用。
Quantization Step
H.264标准共设计了52个不同的量化步长 Qstep
,如下表所示,其中QP是量化参数,也就是量化步长的序号。QP由小变大,意味着量化步长的增大,也就是由精细变粗糙。
QP | Qstep | QP | Qstep | QP | Qstep | QP | Qstep | QP | Qstep |
0 | 0.625 | 12 | 2.5 | 24 | 10 | 36 | 40 | 48 | 160 |
1 | 0.6875 | 13 | 2.75 | 25 | 11 | 37 | 44 | 49 | 176 |
2 | 0.8125 | 14 | 3.25 | 26 | 13 | 38 | 52 | 50 | 208 |
3 | 0.875 | 15 | 3.5 | 27 | 14 | 39 | 56 | 51 | 224 |
4 | 1 | 16 | 4 | 28 | 16 | 40 | 64 | ||
5 | 1.125 | 17 | 4.5 | 29 | 18 | 41 | 72 | ||
6 | 1.25 | 18 | 5 | 30 | 20 | 42 | 80 | ||
7 | 1.375 | 19 | 5.5 | 31 | 22 | 43 | 88 | ||
8 | 1.625 | 20 | 6.5 | 32 | 26 | 44 | 104 | ||
9 | 1.75 | 21 | 7 | 33 | 28 | 45 | 112 | ||
10 | 2 | 22 | 8 | 34 | 32 | 46 | 128 | ||
11 | 2.25 | 23 | 9 | 35 | 36 | 47 | 144 |
Qstep
变化有明显的规律:QP每增加1,量化步长就增加12.25%(即 2√6−1 );QP每增加6,量化步长就增加一倍,即 Qstep(QP+6)=2Qstep(QP) 。这样做就可以显著减少量化表与反量化表的大小,仅用0~5这6个QP的 Qstep ,通过右移就可以得到剩下所有的 Qstep ,即 Qstep(QP)=Qstep(QP%6)⋅2QP/6。
在讲述变换的时候说过,变换的 ⨂
运算矩阵 Ef可以合并到量化表中。下面来看一下该运算矩阵
Ef[i][j]=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢a212aba212ab12ab14b212ab14b2a212aba212ab12ab14b212ab14b2⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥
得到量化矩阵所进行的合并运算如下(归一化为 215
)
Q(QP,i,j)=Ef[i][j]Qstep(QP)×215+QP/6=Ef[i][j]Qstep(QP%6)×2QP/6×215+QP/6=Ef[i][j]Qstep(QP%6)⋅215
上式表明 Q(QP,i,j)=Q(QP%6,i,j)
以 Q(0,0,0)
为例,
Q(0,0,0)=a2Qstep(QP)×215=0.250.625×215=13107
把0~5这6个QP的 Qstep
分别与 ⨂ 运算矩阵 Ef 合并后,可以得到以下6个矩阵,即 Q(QP%6,i,j)
Q(0,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢13107806613107806680665243806652431310780661310780668066524380665243⎤⎦⎥⎥⎥
Q(1,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢11916749011916749074904660749046601191674901191674907490466074904660⎤⎦⎥⎥⎥
Q(2,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢10082655410082655465544194655441941008265541008265546554419465544194⎤⎦⎥⎥⎥
Q(3,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢9362582593625825582536475825364793625825936258255825364758253647⎤⎦⎥⎥⎥
Q(4,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢8192524381925243524333555243335581925243819252435243335552433355⎤⎦⎥⎥⎥
Q(5,i,j)=⎡⎣⎢⎢⎢7282455972824559455928934559289372824559728245594559289345592893⎤⎦⎥⎥⎥
在 Ef
矩阵中,可以看到里面有3个数值 a2,ab,b2 ,合并到量化矩阵后,就有 3×52=156 个参数。采用了上面的QP每增加6,量化步长增加一倍的方法后,参数就只有 3×6=18个参数:
QuantMatrix[6][3]=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢131071191610082936281927282524346604194364733552893806674906554582552434559⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
采用量化矩阵的方式后,4x4整数DCT变换的量化公式为
Zij=Yij⨂Ef[i][j]+f′Qstep(QP)=Yij⨂Ef[i][j]+fQstep(QP%6)÷2QP/6=Yij⨂Q(QP%6,i,j)÷215+QP/6
同样道理,逆量化矩阵为(归一化为 210
):
R(QP,i,j)=ERf[i][j]×Qstep(QP)×210−QP/6=ERf[i][j]×Qstep(QP%6)×2QP/6×210−QP/6=ERf[i][j]×Qstep(QP%6)×210
上式表明 R(QP,i,j)=R(QP%6,i,j)
逆量化公式为:
Y′ij=Zij⨂ERf[i][j]×Qstep=Zij⨂R(QP%6,i,j)÷210−QP/6
逆量化矩阵为
dequantMat[6][3]=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢160176208224256288256288320368400464208224256288320368⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
Nonuniformity Quantization
非一致性量化就是4x4或8x8矩阵上各个位置的量化权重不同,通过这种方法可以在进行量化之前调整量化步长,得到更适合人类视觉系统,更真实的图像。
加入权重矩阵 Wij
后,量化矩阵与逆量化矩阵分别为:
Q(QP,i,j)=1Wij⋅Ef[i][j]Qstep(QP%6)×215+QP/6
R(QP,i,j)=Wij⋅ERf[i][j]×Qstep(QP%6)×210−QP/6
其中 Wij
会被归一为16,即 2<<4
JM18.6参考代码如下
量化矩阵:
量化偏移矩阵
/*! ************************************************************************ * brief * Init quantization offset parameters * * par Input: * none * * par Output: * none ************************************************************************ */ void InitOffsetParam (QuantParameters *p_Quant, InputParameters *p_Inp) { int i, k; int max_qp_luma = (4 + 6*(p_Inp->output.bit_depth[0])); int max_qp_cr = (4 + 6*(p_Inp->output.bit_depth[1])); for (i = 0; i < (p_Inp->AdaptRoundingFixed ? 1 : imax(max_qp_luma, max_qp_cr)); i++) { if (p_Inp->OffsetMatrixPresentFlag) { memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][0][0]),&(p_Quant->OffsetList4x4input[0][0]), 400 * sizeof(short)); // 25 * 16 memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][0][0]),&(p_Quant->OffsetList8x8input[0][0]), 960 * sizeof(short)); // 15 * 64 } else { if (p_Inp->OffsetMatrixFlat == 1) { // 0 (INTRA4X4_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][0][0]),&(Offset_intra_flat_intra[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA4X4_CHROMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_flat_chroma[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 3; k < 9; k++) // 3,4,5,6,7,8 (INTRA4X4_LUMA/CHROMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_flat_inter[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 9; k < 25; k++) // 9,10,11,12,13,14 (INTER4X4) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_inter_flat[0]), 16 * sizeof(short)); // 0 (INTRA8X8_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][0][0]),&(Offset8_intra_flat_intra[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_flat_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 3; k < 5; k++) // 3,4 (INTER8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_flat[0]), 64 * sizeof(short)); // 5 (INTRA8X8_CHROMAU_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][5][0]),&(Offset8_intra_flat_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 6; k < 8; k++) // 6,7 (INTRA8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_flat_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 8; k < 10; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_flat[0]), 64 * sizeof(short)); // 10 (INTRA8X8_CHROMAV_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][10][0]),&(Offset8_intra_flat_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 11; k < 13; k++) // 11,12 (INTRA8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_flat_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 13; k < 15; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_flat[0]), 64 * sizeof(short)); } else if (p_Inp->OffsetMatrixFlat == 2) { // 0 (INTRA4X4_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][0][0]),&(Offset_intra_default_intra[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA4X4_CHROMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_flat_chroma[0]), 16 * sizeof(short)); memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][3][0]),&(Offset_intra_default_inter[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 4; k < 6; k++) // 4,5 (INTRA4X4_CHROMA_INTERP) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_flat_inter[0]), 16 * sizeof(short)); memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][6][0]),&(Offset_intra_default_inter[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 7; k < 9; k++) // 7,8 (INTRA4X4_CHROMA_INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_flat_inter[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 9; k < 25; k++) // 9,10,11,12,13,14 (INTER4X4) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_inter_default[0]), 16 * sizeof(short)); // 0 (INTRA8X8_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][0][0]),&(Offset8_intra_default_intra[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_default_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 3; k < 5; k++) // 3,4 (INTER8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); // 5 (INTRA8X8_CHROMAU_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][5][0]),&(Offset8_intra_flat_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 6; k < 8; k++) // 6,7 (INTRA8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_flat_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 8; k < 10; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); // 10 (INTRA8X8_CHROMAV_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][10][0]),&(Offset8_intra_flat_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 11; k < 13; k++) // 11,12 (INTRA8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_flat_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 13; k < 15; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); } else { // 0 (INTRA4X4_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][0][0]),&(Offset_intra_default_intra[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA4X4_CHROMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_default_chroma[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 3; k < 9; k++) // 3,4,5,6,7,8 (INTRA4X4_LUMA/CHROMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_intra_default_inter[0]), 16 * sizeof(short)); for (k = 9; k < 25; k++) // 9,10,11,12,13,14 (INTER4X4) memcpy(&(p_Quant->OffsetList4x4[i][k][0]),&(Offset_inter_default[0]), 16 * sizeof(short)); // 0 (INTRA8X8_LUMA_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][0][0]),&(Offset8_intra_default_intra[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 1; k < 3; k++) // 1,2 (INTRA8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_default_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 3; k < 5; k++) // 3,4 (INTER8X8_LUMA_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); // 5 (INTRA8X8_CHROMAU_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][5][0]),&(Offset8_intra_default_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 6; k < 8; k++) // 6,7 (INTRA8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_default_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 8; k < 10; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAU_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); // 10 (INTRA8X8_CHROMAV_INTRA) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][10][0]),&(Offset8_intra_default_chroma[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 11; k < 13; k++) // 11,12 (INTRA8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_intra_default_inter[0]), 64 * sizeof(short)); for (k = 13; k < 15; k++) // 8,9 (INTER8X8_CHROMAV_INTERP/INTERB) memcpy(&(p_Quant->OffsetList8x8[i][k][0]),&(Offset8_inter_default[0]), 64 * sizeof(short)); } } } } /*! ************************************************************************ * brief * Calculation of the quantization offset parameters at the frame level * * par Input: * none * * par Output: * none ************************************************************************ */ void CalculateOffset4x4Param (VideoParameters *p_Vid) { QuantParameters *p_Quant = p_Vid->p_Quant; int k; int qp_per, qp; int img_type = ((p_Vid->type == SI_SLICE) ? I_SLICE : (p_Vid->type == SP_SLICE ? P_SLICE : p_Vid->type)); int max_qp_scale = imax(p_Vid->bitdepth_luma_qp_scale, p_Vid->bitdepth_chroma_qp_scale); int max_qp = 51 + max_qp_scale; InputParameters *p_Inp = p_Vid->p_Inp; p_Vid->AdaptRndWeight = p_Inp->AdaptRndWFactor [p_Vid->nal_reference_idc != 0][img_type]; p_Vid->AdaptRndCrWeight = p_Inp->AdaptRndCrWFactor[p_Vid->nal_reference_idc != 0][img_type]; if (img_type == I_SLICE ) { for (qp = 0; qp < max_qp + 1; qp++) { k = p_Quant->qp_per_matrix [qp]; qp_per = Q_BITS + k - OffsetBits; k = p_Inp->AdaptRoundingFixed ? 0 : qp; // Intra4x4 luma update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[0][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 0], qp_per); // Intra4x4 chroma u update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[1][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 1], qp_per); // Intra4x4 chroma v update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[2][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 2], qp_per); } } else if (img_type == B_SLICE) { for (qp = 0; qp < max_qp + 1; qp++) { k = p_Quant->qp_per_matrix [qp]; qp_per = Q_BITS + k - OffsetBits; k = p_Inp->AdaptRoundingFixed ? 0 : qp; // Inter4x4 luma update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[0][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][12], qp_per); // Intra4x4 luma update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[0][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 6], qp_per); // Inter4x4 chroma u update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[1][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][13], qp_per); // Intra4x4 chroma u update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[1][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 7], qp_per); // Inter4x4 chroma v update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[2][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][14], qp_per); // Intra4x4 chroma v update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[2][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 8], qp_per); } } else { for (qp = 0; qp < max_qp + 1; qp++) { k = p_Quant->qp_per_matrix [qp]; qp_per = Q_BITS + k - OffsetBits; k = p_Inp->AdaptRoundingFixed ? 0 : qp; // Inter4x4 luma update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[0][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 9], qp_per); // Intra4x4 luma update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[0][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 3], qp_per); // Inter4x4 chroma u update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[1][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][10], qp_per); // Intra4x4 chroma u update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[1][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 4], qp_per); // Inter4x4 chroma v update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[2][0][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][11], qp_per); // Intra4x4 chroma v update_q_offset4x4(p_Quant->q_params_4x4[2][1][qp], p_Quant->OffsetList4x4[k][ 5], qp_per); } } }
最后
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