一種HDR視頻編碼方法與流程
2023-06-01 22:54:36
本發明涉及視頻編碼技術相關技術領域，尤其是指一種hdr視頻編碼方法。
背景技術：
隨著視頻處理技術的快速發展，4k和hdr(highdynamicrange，高動態範圍)等技術逐步成為人們對視覺體驗的新需求。相比於傳統sdr(standarddynamicrange，標準動態範圍)視頻，hdr視頻能夠呈現出更廣的亮度和更多的顏色，高光的時候不會過曝，暗調的時候不會欠曝，更好地反映真實環境中的視覺效果。
hdr視頻從拍攝到呈現給觀眾主要經過以下四個步驟：
(1)拍攝採集：用hdr攝像機拍攝採集成具有若干幀圖像的hdr視頻；
(2)預處理：該階段可以對視頻數據進行去噪、調整尺寸等；
(3)編碼壓縮：對視頻數據進行編碼壓縮，生成壓縮視頻流；
(4)解碼觀看：用戶利用hdr顯示設備的解碼晶片將視頻流解碼成若干幀圖像，進行觀看。
編碼壓縮過程對於hdr技術至關重要，以往sdr視頻中，一個像素的亮度值可以用8個bit表示，而hdr中一個像素的亮度值需要用10個bit來表示，雖然它所能表示的亮度範圍更加廣泛，但是數據量也大大增加了；另外，由於hdr視頻包含了更多的圖像細節，需要用更多的比特數來描述視頻內容，如何提升編碼壓縮效率，減少數據量是hdr應用推廣的關鍵技術。現有hdr編碼採用的是原h.265/hevc(highefficiencyvideocoding)對於sdr視頻編碼的方案，沒有考慮到hdr視頻的高亮度和高色域等特性。
視頻編碼中一個重要的環節是碼率控制，它通過可利用帶寬和視頻幀內容的複雜度來計算各幀和各幀中所有的圖像編碼單元，碼率控制算法包括三層：gop(groupofpicture，圖像組)層碼率控制、幀層碼率控制和cu(codingunit，編碼單元)層碼率控制，hdr視頻編碼器將一個視頻分為多個gop，每個gop包含多幀，其中：gop層碼率控制根據視頻特性和網絡帶寬計算各個gop的目標碼率；幀層碼率控制將一個gop的目標碼率劃分到gop中的各個幀，根據各幀的複雜度計算各幀的目標碼率，並進一步計算出qp(quantizationparameter，量化參數)；cu層碼率控制將一幀分成多個cu，根據前一幀中對應cu的複雜度來預測當前cu的複雜度並確定當前cu的目標碼率，並進一步計算出qp，利用qp對圖像數據進行量化壓縮。
qp大小反映了空間細節壓縮情況。若qp越小，大部分的細節都會被保留；若qp越大，細節則容易丟失。因此，一幀中各個cu的qp大小通常由該cu的紋理複雜度所決定，如果紋理越複雜，需要保留的細節越多，則將qp設置越小，反之則將qp設置越大。
對比度指的是一幅圖像中明暗區域最亮和最暗之間不同亮度層級的測量。而人眼分辨不同對比度的能力稱之為對比敏感度，它與對比度成反比。當對比度越小時，人眼越敏感，當對比度越大時，人眼越不敏感。但是該對比敏感度的值是在真實的顯示設備上通過主觀實驗而得出，而並非編碼亮度。部分編碼算法直接將顯示亮度做為編碼亮度來指導編碼，這樣是不正確的，因此，需要將編碼亮度這種電信號轉換為顯示亮度這種光信號才能準確地衡量對比敏感度。hdr視頻亮度範圍和色度範圍大，一幀圖像內不同區域的對比度會出現較明顯的差異。
在電信號轉光信號的方案中，dolbyvision提出的感知量化(perceptualquantizer，pq)模型已經成為smptest2084標準，其理論依據是人類視覺系統存在掩蔽效應，當某一個信號的失真不超過某一閾值時，不會被人眼所察覺，該閾值稱之為恰可察覺失真(justnoticeabledistortion，jnd)閾值。感知量化模型認為jnd閾值隨著亮度的變化呈一定的關係，低亮度區域該閾值較大，高亮度區域該閾值則較小。
現有編碼算法試圖用對比敏感度調節編碼的碼率分配，直接將顯示亮度做為編碼亮度來衡量對比敏感度，這樣不能正確反應人眼在顯示設備上觀看視頻時由不同亮度對比產生的視覺差異。
技術實現要素：
本發明是為了克服現有技術中存在上述的不足，提供了一種提高細節保留完整度的hdr視頻編碼方法。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種hdr視頻編碼方法，具體包括如下步驟：
(1)視頻源數據通過常規的碼率控制獲得量化參數；
(2)視頻源數據通過電光轉換獲得當前編碼單元在hdr顯示設備上的對比敏感度；
(3)通過步驟(1)中的量化參數以及步驟(2)中的對比敏感度獲得當前編碼單元的量化參數，並對視頻源數據進行量化。
本發明將編碼亮度這種電信號轉換為顯示亮度這種光信號，較準確地反應出人眼在hdr顯示設備上觀看視頻時由亮度對比產生的不同敏感程度；將一幀中各個編碼單元的對比敏感度相對於該幀的平均對比敏感度來調節各個編碼單元的量化參數，使越敏感的區域的細節保留的更完整；從而使hdr視頻中人眼比較敏感的對比敏感度較大的區域的細節保留地更加完整，提高了細節保留的完整度。
作為優選，在步驟(2)中，當前編碼單元的對比敏感度獲取如下：
(a)當前編碼單元中的顯示亮度通過感知量化模型轉換而來：
其中，v(i)是當前編碼單元中第i個像素的編碼亮度，c1、c2、c3的值分別為0.835、18.851、18.687，m和n的值分別為78.843和0.159；
(b)根據當前編碼單元中的顯示亮度l(i)獲得當前編碼單元中的最大顯示亮度lmax和最小顯示亮度lmin；
(c)根據當前編碼單元中的最大顯示亮度和最小顯示亮度，獲得當前編碼單元的對比度敏感度：
作為優選，在步驟(3)中，具體操作步驟如下：
(i)獲取當前編碼單元相對於當前幀的敏感度w，若當前編碼單元越敏感，則使量化參數越小，反之則量化參數越大，w的求取方式為：
其中：a＝0.7，b＝0.6，m＝0，n＝1，c＝4，表示當前幀的平均對比敏感度；
(ii)獲取當前編碼單元的量化參數為：
其中：qpr表示步驟(1)中通過常規的碼率控制計算出的量化參數。
本發明的有益效果是：較準確地反應出人眼在hdr顯示設備上觀看視頻時由亮度對比產生的不同敏感程度；使hdr視頻中人眼比較敏感的對比敏感度較大的區域的細節保留地更加完整，提高了細節保留的完整度。
附圖說明
圖1是本發明的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。
如圖1所述的實施例中，一種hdr視頻編碼方法，具體包括如下步驟：
(1)視頻源數據通過常規的碼率控制獲得量化參數；
(2)視頻源數據通過電光轉換獲得當前編碼單元在hdr顯示設備上的對比敏感度；其中：當前編碼單元的對比敏感度獲取如下：
(a)當前編碼單元中的顯示亮度通過感知量化模型轉換而來：
其中，v(i)是當前編碼單元中第i個像素的編碼亮度，c1、c2、c3的值分別為0.835、18.851、18.687，m和n的值分別為78.843和0.159；
(b)根據當前編碼單元中的顯示亮度l(i)獲得當前編碼單元中的最大顯示亮度lmax和最小顯示亮度lmin；
(c)根據當前編碼單元中的最大顯示亮度和最小顯示亮度，獲得當前編碼單元的對比度敏感度：
(3)通過步驟(1)中的量化參數以及步驟(2)中的對比敏感度獲得當前編碼單元的量化參數，並對視頻源數據進行量化；其中：具體操作步驟如下：
(i)獲取當前編碼單元相對於當前幀的敏感度w，若當前編碼單元越敏感，則使量化參數越小，反之則量化參數越大，w的求取方式為：
其中：a＝0.7，b＝0.6，m＝0，n＝1，c＝4，表示當前幀的平均對比敏感度；
(ii)獲取當前編碼單元的量化參數為：
其中：qpr表示步驟(1)中通過常規的碼率控制計算出的量化參數。
本發明將編碼亮度這種電信號轉換為顯示亮度這種光信號，較準確地反應出人眼在hdr顯示設備上觀看視頻時由亮度對比產生的不同敏感程度；將一幀中各個編碼單元的對比敏感度相對於該幀的平均對比敏感度來調節各個編碼單元的量化參數，使越敏感的區域的細節保留的更完整；從而使hdr視頻中人眼比較敏感的對比敏感度較大的區域的細節保留地更加完整，提高了細節保留的完整度。