HM编码器代码阅读(31)——帧间预测之AMVP/Merge模式（六）运动补偿

时间：2022-02-03 11:34:21

运动补偿


原理

    说实话一直很难理解运动补偿中“补偿”二字的意思，在参考了 http://blog.csdn.net/hevc_cjl/article/details/8457642 和百度百科以及分析的源代码之后，我大致猜测了一下它的功能：
    百科上说“运动补偿是通过先前的局部图像来预测、补偿当前的局部图像，它是减少帧序列冗余信息的有效方法”，通过前面的运动估计我们得到了MV（运动向量），大部分情况下MV是亚像素精度的，MV的作用就是定位参考块在参考帧中的位置，但是亚像素的MV定位出来的位置是没有像素点的（亚像素就是指该位置在两个像素之间），换句话说非整像素精度的MV定位出来的地方没有像素点（即没有像素块），那么我们需要使用现有的像素点去构造亚像素点，这样通过MV找到位置才有参考块。运动补偿实际干的就是这么回事它通过MV和现有的像素块去构造一个亚像素块，这个新被创建出来的像素块就是当前PU的参考块。这样，得到了MV和参考块之后就可以进行后续的工作了。


运动补偿入口函数

    motionCompensation()完成了运动补偿的工作；

    motionCompensation()调用了xPredInterUni()完成了单向预测的运动补偿；而调用xPredInterBi()完成了双向预测的运动补偿，它实际调用xPredInterBi和xWeightedPredictionBi来完成相应的工作。其中xPredInterUni()调用xPredInterBlk()完成一个分量块的运动补偿。而xPredInterBlk()调用了TComInterpolationFilter类的filterHor()和filterVer()完成了亚像素的插值工作。

    motionCompensation的流程：
    1、如果指明了PU，那么只对这个PU进行处理，如果没有指明PU，那么对CU下面的所有PU进行处理。
    2、对于一个PU，如果指定了参考列表，那么表示进行单向运动补偿（双向运动补偿可以通过两次单向操作来完成）；如果没有指定参考列表，那么默认进行双向运动补偿，但是在操作之前先确认PU两个方向上的参考帧是否相同，如果相同，表示只有一个参考帧那么它实际还是进行单向运动补偿，否则使用双向运动补偿。
    3、无论是单向运动补偿还是双向运动补偿，都需要在亚像素插值工作完成之后，检测是否需要进行加权预测，相关的加权操作是在xWeightedPredictionUni中完成的，这个函数根据权重参数对目标像素块进行权重转换，对每一个像素通过一个公式去重新计算它的值。单向预测的运动补偿中，xWeightedPredictionUni跟在xPredInterUni函数的后面，在双向预测的运动补偿中，xWeightedPredictionUni在xPredInterBi函数里面。

下面的它的流程图和代码：

HM编码器代码阅读(31)——帧间预测之AMVP/Merge模式（六）运动补偿

Void TComPrediction::motionCompensation ( TComDataCU* pcCU, TComYuv* pcYuvPred, RefPicList eRefPicList, Int iPartIdx )
{
Int         iWidth;
Int         iHeight;
UInt        uiPartAddr;

// 如果PU的索引是有效值，那么直接处理该PU，然后返回
if ( iPartIdx >= 0 )
{
pcCU->getPartIndexAndSize( iPartIdx, uiPartAddr, iWidth, iHeight );

// 有效的参考列表，即明确的标明了使用哪个参考列表，那么就在对应的方向上进行单向预测
if ( eRefPicList != REF_PIC_LIST_X )
{
// 先进行插值操作
if( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP())
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred, true ); // 最后一个参数指明是否为双向预测
}
else
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred );
}

// 加权预测
if ( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP() )
{
xWeightedPredictionUni( pcCU, pcYuvPred, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred );
}
}
// 没有指明明确的参考列表，那么判断PU两个方向上的参考帧是否一样
else
{
// 如果PU的两个参考列表是相同的，即它们的运动是一致的
// 那么直接使用单向预测
if ( xCheckIdenticalMotion( pcCU, uiPartAddr ) )
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, REF_PIC_LIST_0, pcYuvPred );
}
// 否则使用双向预测
else
{
xPredInterBi  (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, pcYuvPred );
}
}
return;
}

// 否则处理CU下的所有PU
for ( iPartIdx = 0; iPartIdx < pcCU->getNumPartitions(); iPartIdx++ )
{
pcCU->getPartIndexAndSize( iPartIdx, uiPartAddr, iWidth, iHeight );

if ( eRefPicList != REF_PIC_LIST_X )
{
if( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP())
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred, true );
}
else
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred );
}
if ( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP() )
{
xWeightedPredictionUni( pcCU, pcYuvPred, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcYuvPred );
}
}
else
{
if ( xCheckIdenticalMotion( pcCU, uiPartAddr ) )
{
xPredInterUni (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, REF_PIC_LIST_0, pcYuvPred );
}
else
{
xPredInterBi  (pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, pcYuvPred );
}
}
}
return;
}


单向预测的运动补偿

Void TComPrediction::xPredInterUni ( TComDataCU* pcCU, UInt uiPartAddr, Int iWidth, Int iHeight, RefPicList eRefPicList, TComYuv*& rpcYuvPred, Bool bi )
{
Int         iRefIdx     = pcCU->getCUMvField( eRefPicList )->getRefIdx( uiPartAddr );           assert (iRefIdx >= 0);
TComMv      cMv         = pcCU->getCUMvField( eRefPicList )->getMv( uiPartAddr );
pcCU->clipMv(cMv);
xPredInterLumaBlk  ( pcCU, pcCU->getSlice()->getRefPic( eRefPicList, iRefIdx )->getPicYuvRec(), uiPartAddr, &cMv, iWidth, iHeight, rpcYuvPred, bi );
xPredInterChromaBlk( pcCU, pcCU->getSlice()->getRefPic( eRefPicList, iRefIdx )->getPicYuvRec(), uiPartAddr, &cMv, iWidth, iHeight, rpcYuvPred, bi );
}

对亮度块进行亚像素插值工作

Void TComPrediction::xPredInterLumaBlk( TComDataCU *cu, TComPicYuv *refPic, UInt partAddr, TComMv *mv, Int width, Int height, TComYuv *&dstPic, Bool bi )
{
Int refStride = refPic->getStride();  
Int refOffset = ( mv->getHor() >> 2 ) + ( mv->getVer() >> 2 ) * refStride;
Pel *ref      = refPic->getLumaAddr( cu->getAddr(), cu->getZorderIdxInCU() + partAddr ) + refOffset;

Int dstStride = dstPic->getStride();
Pel *dst      = dstPic->getLumaAddr( partAddr );

Int xFrac = mv->getHor() & 0x3;
Int yFrac = mv->getVer() & 0x3;

if ( yFrac == 0 )
{
m_if.filterHorLuma( ref, refStride, dst, dstStride, width, height, xFrac,       !bi );
}
else if ( xFrac == 0 )
{
m_if.filterVerLuma( ref, refStride, dst, dstStride, width, height, yFrac, true, !bi );
}
else
{
Int tmpStride = m_filteredBlockTmp[0].getStride();
Short *tmp    = m_filteredBlockTmp[0].getLumaAddr();

Int filterSize = NTAPS_LUMA;
Int halfFilterSize = ( filterSize >> 1 );

m_if.filterHorLuma(ref - (halfFilterSize-1)*refStride, refStride, tmp, tmpStride, width, height+filterSize-1, xFrac, false     );
m_if.filterVerLuma(tmp + (halfFilterSize-1)*tmpStride, tmpStride, dst, dstStride, width, height,              yFrac, false, !bi);    
}
}

双向预测运动补偿

Void TComPrediction::xPredInterBi ( TComDataCU* pcCU, UInt uiPartAddr, Int iWidth, Int iHeight, TComYuv*& rpcYuvPred )
{
TComYuv* pcMbYuv;
Int      iRefIdx[2] = {-1, -1};

// 执行两次单向预测的运动补偿，就可以完成双向预测的运动补偿了
for ( Int iRefList = 0; iRefList < 2; iRefList++ )
{
RefPicList eRefPicList = (iRefList ? REF_PIC_LIST_1 : REF_PIC_LIST_0);
iRefIdx[iRefList] = pcCU->getCUMvField( eRefPicList )->getRefIdx( uiPartAddr );

if ( iRefIdx[iRefList] < 0 )
{
continue;
}

assert( iRefIdx[iRefList] < pcCU->getSlice()->getNumRefIdx(eRefPicList) );

pcMbYuv = &m_acYuvPred[iRefList];

// 单向预测的运动补偿
if( pcCU->getCUMvField( REF_PIC_LIST_0 )->getRefIdx( uiPartAddr ) >= 0 && pcCU->getCUMvField( REF_PIC_LIST_1 )->getRefIdx( uiPartAddr ) >= 0 )
{
xPredInterUni ( pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcMbYuv, true );
}
else
{
if ( ( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP()       && pcCU->getSlice()->getSliceType() == P_SLICE ) || 
( pcCU->getSlice()->getPPS()->getWPBiPred() && pcCU->getSlice()->getSliceType() == B_SLICE ) )
{
xPredInterUni ( pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcMbYuv, true );
}
else
{
xPredInterUni ( pcCU, uiPartAddr, iWidth, iHeight, eRefPicList, pcMbYuv );
}
}
}

// 加权预测
if ( pcCU->getSlice()->getPPS()->getWPBiPred() && pcCU->getSlice()->getSliceType() == B_SLICE  )
{
xWeightedPredictionBi( pcCU, &m_acYuvPred[0], &m_acYuvPred[1], iRefIdx[0], iRefIdx[1], uiPartAddr, iWidth, iHeight, rpcYuvPred );
}  
else if ( pcCU->getSlice()->getPPS()->getUseWP() && pcCU->getSlice()->getSliceType() == P_SLICE )
{
xWeightedPredictionUni( pcCU, &m_acYuvPred[0], uiPartAddr, iWidth, iHeight, REF_PIC_LIST_0, rpcYuvPred ); 
}
else
{
xWeightedAverage( &m_acYuvPred[0], &m_acYuvPred[1], iRefIdx[0], iRefIdx[1], uiPartAddr, iWidth, iHeight, rpcYuvPred );
}
}

加权预测


单向加权预测


// getWpScaling的作用就是设置权重table的参数
// addWeightUni根据权重参数对目标像素块进行权重转换，即对每一个像素通过一个公式去重新计算它的值
Void TComWeightPrediction::xWeightedPredictionUni( TComDataCU* pcCU, TComYuv* pcYuvSrc, UInt uiPartAddr, Int iWidth, Int iHeight, RefPicList eRefPicList, TComYuv*& rpcYuvPred, Int iRefIdx)
{ 
wpScalingParam  *pwp, *pwpTmp;
if ( iRefIdx < 0 )
{
iRefIdx   = pcCU->getCUMvField( eRefPicList )->getRefIdx( uiPartAddr );
}
assert (iRefIdx >= 0);

if ( eRefPicList == REF_PIC_LIST_0 )
{
getWpScaling(pcCU, iRefIdx, -1, pwp, pwpTmp);
}
else
{
getWpScaling(pcCU, -1, iRefIdx, pwpTmp, pwp);
}
addWeightUni( pcYuvSrc, uiPartAddr, iWidth, iHeight, pwp, rpcYuvPred );
}

双向加权预测

/*
** 双向加权预测
*/
Void TComWeightPrediction::xWeightedPredictionBi( TComDataCU* pcCU, TComYuv* pcYuvSrc0, TComYuv* pcYuvSrc1, Int iRefIdx0, Int iRefIdx1, UInt uiPartIdx, Int iWidth, Int iHeight, TComYuv* rpcYuvDst )
{
wpScalingParam  *pwp0, *pwp1;
TComPPS         *pps = pcCU->getSlice()->getPPS();
assert( pps->getWPBiPred());

// getWpScaling的作用就是设置权重table的参数
getWpScaling(pcCU, iRefIdx0, iRefIdx1, pwp0, pwp1);


// addWeightUni根据权重参数对目标像素块进行权重转换，即对每一个像素通过一个公式去重新计算它的值
if( iRefIdx0 >= 0 && iRefIdx1 >= 0 )
{
addWeightBi(pcYuvSrc0, pcYuvSrc1, uiPartIdx, iWidth, iHeight, pwp0, pwp1, rpcYuvDst );
}
else if ( iRefIdx0 >= 0 && iRefIdx1 <  0 )
{
addWeightUni( pcYuvSrc0, uiPartIdx, iWidth, iHeight, pwp0, rpcYuvDst );
}
else if ( iRefIdx0 <  0 && iRefIdx1 >= 0 )
{
addWeightUni( pcYuvSrc1, uiPartIdx, iWidth, iHeight, pwp1, rpcYuvDst );
}
else
{
assert (0);
}
}

平均加权预测

Void TComPrediction::xWeightedAverage( TComYuv* pcYuvSrc0, TComYuv* pcYuvSrc1, Int iRefIdx0, Int iRefIdx1, UInt uiPartIdx, Int iWidth, Int iHeight, TComYuv*& rpcYuvDst )
{
if( iRefIdx0 >= 0 && iRefIdx1 >= 0 )
{
rpcYuvDst->addAvg( pcYuvSrc0, pcYuvSrc1, uiPartIdx, iWidth, iHeight );
}
else if ( iRefIdx0 >= 0 && iRefIdx1 <  0 )
{
pcYuvSrc0->copyPartToPartYuv( rpcYuvDst, uiPartIdx, iWidth, iHeight );
}
else if ( iRefIdx0 <  0 && iRefIdx1 >= 0 )
{
pcYuvSrc1->copyPartToPartYuv( rpcYuvDst, uiPartIdx, iWidth, iHeight );
}
}




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