ISP及其在VTM中的优化实现

Posted 2021-07-08 Dillon2015

本文来自论文《Design of the Intra Subpartition mode in VVC and its optimized encoder search in VTM》

ISP是VTM新增的工具，它将亮度帧内预测块按照一个维度划分为2个或4个子块，其中所有子块共享同一种帧内预测模式。

子块划分方式

ISP只针对采用帧内预测的亮度块，给定一个WxH的块，ISP将其沿水平或垂直方向划分为2个或4个子块，如Fig.1所示。对应的色度块不划分。

其中4x8和8x4的块只能划分为2个子块，以确保每个子块至少包含16个像素。4x4块不能进行子块划分。宽或高大于最大变换块尺寸的块也不进行子块划分。其他尺寸块都划分为4个子块。

注意，运行划分的子块为1xH、2xH、Wx1、Wx2。例如对16x8的块可以按水平方向划分为4个16x2的子块，4x32的块可以按垂直方向划分为4个1x32的子块。

子块的处理

子块按顺序逐个处理，最先处理左上角块，然后向下（水平划分）或向右（垂直划分）处理。每个子块和普通帧内预测块一样分别进行帧内预测、变换、量化等处理。其中，每个子块的重建信号用于生成下一个子块的预测信号。每个子块重复这个过程直至所有子块处理完毕，如Fig.2所示。

窄垂直子块的处理限制

当子块宽度小于4时处理过程和上面描述不同。典型的硬件架构都是按扫描顺序分配像素，像素按照4x1一组的形式访问，所以对于1xH或2xH像素的存储和读取都会引起问题。因此，对于预测块PB要求的最小宽度是4，这对一些情况的垂直划分会有影响：

• 4x8块：整个块利用原始块相邻的参考像素预测得到残差块，然后4x8的残差块划分为2个2x8的子块并行进行后续处理。

• 4xH块（H>8）:整个块利用原始块相邻的参考像素预测得到残差块，然后4xH的残差块划分为4个1xH的子块并行进行后续处理。

• 8xH块（H>4）:整个块划分为2个4xH的子块PB进行预测，第一个子块P1利用原始块相邻的参考像素进行预测，得到的4xH的残差块划分为2个TB（B1和B2）并行处理。第二个子块P2同样处理，得到的4xH的残差块划分为2个TB（B3和B4）并行处理。其中P1的重建像素被用于P2的预测。

相关过程如Fig.3所示，

模式传输

ISP的所有子块都使用同一种模式，所以整个块只需要传输一次模式。ISP可以使用所有传统的帧内预测模式，Planar、DC、角度预测等，不能使用MRL、MIP等。ISP可以使用宽角度帧内预测WAIP，但是其中使用的宽高比是指原始块的宽高比而不是子块的。这避免了根据ISP的使用情况来修改帧内模式的含义，同时避免了奇怪的宽高比如64/1。仅当宽和高大于等于4时ISP的子块才能使用PDPC。

变换选择

VVC的变换里新增了MTS和LFNST，ISP使用的是隐式MTS，根据子块的宽w和高h选择变换核：

• 水平变换：如果4<=w<=16，则使用DST-VII变换核，否则使用DCT-II。

• 垂直变换：如果4<=h<=16，则使用DST-VII变换核，否则使用DCT-II。

如果未开启MTS，则都使用DCT-II变换核。

变换系数编码

为了利用ISP的特性，ISP子块变换系数编码有以下特性：

• 对于一维的子块，在传输最后一个非零变换系数的坐标时只需要传输一个坐标轴的值。

• 每个子块的CBF标志位的上下文为前一个子块的CBF，第一个子块使用0作为上下文。

• ISP至少有一个子块的CBF非零，如果前面子块的CBF都为0则最后一个子块的CBF默认为1。禁止ISP所有子块CBF都为0，因为这会导致预测结果和不使用ISP相近。

编码器模式搜索

编码器要选择最优模式使得RD cost最小，如果遍历所有模式的组合复杂度将会非常高，VTM中有一些快速搜索算法。

亮度块帧内预测模式搜索

亮度帧内预测块最优模式搜索过程如下：

步骤1：基于STAD构建含有N个候选项的候选列表La：

（a）加入常见的帧内模式

（b）加入MPM中的模式

（c）加入MRL模式

（d）加入MIP模式

步骤2：计算La中各个候选项的RD cost（不考虑ISP、MTS和LFNST）。

步骤3：为ISP模式构建候选列表Lb，并计算各候选项的RD cost（考虑ISP和LFNST的配合）。

步骤4：考虑MTS和LFNST模式计算La的RD cost（不考虑ISP）。

步骤5：选择上面RD cost最小的作为最优模式。

ISP模式搜索

步骤3中需要计算ISP模式下的最优模式，在VTM中采取的策略如下：

• Before the ISP tests:

  (1)根据non-ISP结果决定是否跳过所有ISP测试。

  (2)根据相邻块结果决定是否跳过ISP测试。

• The ISP tests:

  (1)根据non-ISP结果构建Lb列表。

  (2)对于不可能是最优的ISP测试，在计算完成前提前终止。

  (3)根据前面ISP测试结果跳过ISP测试。

• After the ISP tests:

  (1)根据ISP测试结果跳过不带ISP的MTS和LFNST。

注意，一次ISP测试是计算(m,s,l)组合模式的RD cost，m代表帧内预测模式，s代表划分类型（水平、垂直），l代表LNFST索引（0，1，2）。

Before the ISP tests

在创建Lb列表前，VTM可以根据下面两个条件决定是否放弃所有ISP模式：

• J_non-isp是步骤2得到的最优non-ISP模式的RD cost，C_p是父CU的最优cost，C_c是当前CU同一划分深度CU的累积cost。如果J_non-isp远大于（C_p-C_c）则当前块跳过ISP测试，因为当前块很大概率不是最优划分模式。

• 由于CTU的划分方式，一个块可能会在不同划分方式中被多次计算。即使它们的编码结果可能不完全相同，但是选择的最优模式经常一致。VTM可以利用这些信息：如果当前块和相关块在步骤2后的最优cost和最优模式相似，则：

  (1)如果相关块中ISP不是最优模式，则当前块跳过ISP。

  (2)如果ISP在相关块中是最优的，则当前块只计算最优模式的(m,s,l)组合。

The ISP tests

进行ISP测试，包括下面步骤：

步骤A：l=0

步骤B：构建Lb

步骤C：计算列表中候选项的RD cost决定后续测试是否跳过。

步骤D：停止测试Lb

步骤E：如果l=0，根据RD cost对Lb中的模式排序。

步骤F：如果l<2，l++，转到步骤C。

步骤G：结束。

构建Lb列表可以利用步骤2中的La列表的结果：

1、Planar模式

2、La中RD cost最优的角度帧内模式（如果存在）

3、剩余的角度模式根据RD cost排序（如果存在）

4、DC模式（如果存在）

5、额外的测试

额外测试的模式包括在步骤1(b)中被选择的模式，但是在(c)和(d)中又被剔除的模式。

ISP的流程图如Fig.4，