一種低複雜度的視頻碼率控制方法
2023-07-26 03:27:41
專利名稱:一種低複雜度的視頻碼率控制方法
技術領域：
本發明涉及一種碼率控制機制，更具體地說，本發明涉及一種基於原始視頻統計特徵的低複雜度的視頻碼率控制方法。
背景技術：
碼率控制技術是視頻編碼和通信領域一個熱點問題，在視頻通信中起著十分重要的作用。碼率控制技術一般可以分為三種一是利用碼率一量化參數的解析模型，二是利用對編碼緩衝區的控制來調節碼率，三是綜合利用上述兩類方法。第一類方法的優點是碼率調節可以用解析的方法得到優化的解，但由於視頻內容本身的隨機性，單一的解析模型並不能準確刻畫視頻本身的特性，所以，需要有較多的控制參數才能得到比較滿意的效果，複雜度很高。第二類方法操作簡單，但控制精度不夠。第三類方法綜合了解析模型和緩衝區控制，是目前碼率控制技術中最流行的一類。
近年來，隨著視頻編碼技術的發展，產生了新的編碼標準(H.264，VC1.0，AVS)，相應地也有一系列碼率控制算法提出。但這些碼率控制算法通常都是上面所述的第三類算法，即基於解析模型和緩衝區控制的模型。這樣的模型雖然有效結合了解析模型和緩衝區控制模型，從碼率控制精度的來說，能夠滿足要求，但由於視頻序列本身很難通過解析模型精確預測(複雜度高)，所以，現有的方法並不能準確按照視頻序列本身固有的率-失真(R-D)屬性來控制碼率，而是把視頻序列看作一個平穩的隨機過程來控制碼率的。但視頻序列本身是一個非平穩的隨機過程，這樣會使得現有的碼率控制方法的R-D性能不高。
如果要克服現有方法的不足，必須能夠及時準確得到視頻序列的變化，並根據這種變化來相應調整碼率。而視頻序列的變化可以通過視頻序列本身的一些統計量來得到。這些量一般包括有圖像方差，相鄰幀差分直方圖，剩餘圖像方差以及剩餘圖像直方圖等。其中相鄰幀差分直方圖(以下簡稱差分直方圖)能夠很好反映視頻幀內相對於參考幀運動程度的強弱。
發明內容本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種率-失真性能高的低複雜度碼率控制算法。
為實現上述發明目的，本發明提供的低複雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預分配過程和量化參數調節過程；其特徵在於，所述比特率預分配過程是利用視頻序列特徵進行碼率預分配；所述量化參數調節過程是根據視頻序列特徵來預測編碼複雜度，進而進行量化參數估計；所述視頻序列特徵是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。
上述技術方案中，所述碼率預分配包括如下步驟步驟1)設定目標碼率(視頻編碼中額定的標稱碼率)和目標緩衝區佔用率(視頻編碼器緩衝區的額定佔用率)及圖像組大小；根據第一個幀間幀各個編碼單元的差分直方圖，初始化求取當前幀的差分直方圖值，並將直方圖平均值初始化為該值；在同一圖像組內，後續圖像差分直方圖的平均值按照累加平均的方式得到；步驟2)對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼複雜度；步驟3)計算相鄰幀的差分並統計其直方圖，計算差分直方圖序列的均值；然後根據當前幀直方圖和均值之間的差異，結合目標碼率和目標緩衝區佔用率，按照均值-比例模型來分配幀級碼率；步驟4)在幀一級碼率分配的基礎上，進一步根據各個碼率控制基本單元的差分直方圖，採用均值-比例模型來分配基本單元級的碼率。
上述技術方案中，所述量化參數估計包括如下步驟步驟5)按照一幀內相鄰編碼單元直方圖分布，預測當前編碼單元的編碼複雜度；步驟6)得到當前編碼單元的編碼複雜度之後，根據預分配的碼率，計算出當前編碼單元的量化參數；利用該量化參數對當前圖像進行編碼，並且用編碼後得到的碼率去修正下一幀的碼率分配。
上述技術方案中，所述碼率控制基本單元為宏塊行。
本發明的優點在於1、可根據視頻內容的變化及時調節碼率分配；2、量化參數計算簡單有效，具有內容自適應性；3、碼率分配和調節貼近視頻內容變化，具有好的率-失真(R-D)性能；4、採用累加更新統計量的方式，避免了延遲。
圖1為碼率分配過程示意圖；圖2為量化參數估計部分的流程圖；圖3為本發明的碼率控制方法整體過程的流程圖。
具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
碼率分配過程主要涉及差分直方圖計算，幀級碼率分配和編碼單元級碼率分配。如圖1所示，圖中三個部分分別指直方圖計算，幀分配和單元分配。
量化參數估計如圖2所示。在碼率控制的方法中，為了提高控制精度，需要減少控制的粒度，所以把每幀劃分成若干個基本編碼單元，碼率控制過程在基本單元的基礎上進行。對每一個基本單元，通過其差分直方圖來預測編碼複雜度，之後根據預分配的碼率就可以得到該編碼單元應當採取的量化參數。
碼率控制的整體流程如圖3所示。碼率控制只針對一個圖像組(兩個I幀之間)。對一個圖像組而言，控制過程首先從初始化開始，根據目標比特率來給整個圖像組分配一定數量的比特。圖像組中一幀圖像通過碼率預分配得到目標碼率，通過量化參數估計得到量化參數，之後編碼輸出比特流。根據輸出的比特和目標碼率之間的差異，修正圖像組整體比特率分配，進而修正下一幀的碼率預分配。
整體的碼率控制過程主要分為以下幾個步驟1、根據目標碼率要求，初始化當前圖像組的總體比特數R＝bit_rate*L/F。這裡bit_rate表示目標碼率要求，L為圖像組的大小(幀)，F為幀率。初始化目標緩衝區大小，初始化差分直方圖均值hoda=hod(0)=i=0K=1hod(0,i),hod(0,i)=|x|ahistogram(0,i,x)Np(0,i).]]>這裡hod代表histogram of difference frame(差分幀直方圖)，hod(m)代表當前圖像組第m個幀間幀的幀差分直方圖，對於初始幀間幀而言m＝0，它同時也是當前的直方圖平均值hoda。這裡假設每幀K個基本單元，hod(m，i)代表第m幀第i個基本單元差分直方圖。Histogram(m，i，x)代表第m幀第i編碼單元中差分值為x的直方圖統計值。α是一個閾值，取值在(0，20)之間，它反映了直方圖對於圖像差的靈敏度，α越小，靈敏度越高。Np(m，i)是當前編碼單元的像素個數。
2、對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼複雜度Xb(m,0)=1Kmk=0m-1i=0K-1Xb(k,i),]]>m＞0；Xb(m，0)＝C，m＝0。這裡Xb(k，i)代表第k幀間幀第i編碼單元的編碼複雜度，Xb(k，i)＝r(k，i)*Q(k，i)，這裡r(k，i)代表對應編碼單元編碼所用比特，Q(k，i)代表對應編碼單元所採用的量化參數。
3、計算當前幀的差分直方圖並根據累加平均的方式預分配碼率r(m)=(1+hod(m)-hodahoda)R-RuL-m-1,hoda=1m+1i=0mhod(i),]]>這裡Ru表示到前m+1幀編碼已經產生的碼率。進一步結合目標緩衝區佔用率，對當前幀的最終碼率預分配為r(m)＝λr(m)+(1-λ)(BL(m)-Tbl(m))。這裡λ＝0.5為權重係數，BL(m)代表當前編碼緩衝區的佔用率，Tbl(m)是根據目標緩衝區佔用模型得到的目標緩衝區佔用率。
4、根據當前編碼單元的差分直方圖給當前編碼單元分配碼率r(m,i)=(1+hod(m,i)-hodahoda)r(m)-ruK-i,]]>這裡ru是當前幀已經編碼的基本單元所產生的實際碼率。
5、預測當前編碼單元編碼複雜度。如果是當前幀第一個編碼單元，則直接用步驟2初始化編碼複雜度。否則，由於差分直方圖本身反映了圖像內部的運動程度，也間接地代表了圖像本身編碼複雜度(運動越劇烈，編碼複雜度越大)。所以有Xb(m,i)Xb(m,i+1)=hod(m,i)hod(m,i+1)]]>這樣的假設。此外，對於視頻圖像而言，相鄰幀之間的特徵呈現時間上的連貫性(即相鄰幀的特徵有很大的相似性)，為此，可以得到如下關係-hod(m,i)hod(m,i+1)-hod(m+1,i)hod(m+1,i+1)]]>基於上述這兩個關係，可以進一步給出如下的關係如果|hod(m,i)hod(m,i-1)-hod(m-1,i)hod(m-1,i-1)|]]>(條件1)成立，則Xb(m,i)=Xb(m,i-1)Xb(m-1,i)Xb(m-1,i-1)]]>(複雜度估計方法1)這裡ω是一個閾值常量，取值在[0.05，0.1]之間。
如果|hod(m,i)hod(m,i-1)-hod(m-1,i)hod(m-1,i-1)|]]>不成立，則採用如下預測方法(複雜度估計方法2)如果|hod(m，i)-hod(m，i-1)|-|hod(m，i)-hod(m-1，i)|＞0.1hoda那麼Xb(m，i)＝(2*Xb(m-1，i)+Xb(m，i-1))/3否則Xb(m，i)＝(Xb(m-1，i)+2*Xb(m，i-1))/36、量化參數計算和調節。得到了當前編碼單元的編碼複雜度預測，通過編碼複雜度的定義得到預測的量化參數Q(m,i)=Xb(m,i)r(m,i).]]>由於當前編碼單元分配的碼率r(m，i)有可能小於0，但量化參數必須大於0且為了保證視頻畫面質量的連貫性，要求相鄰編碼單元的量化參數不能相差太大，所以，得到的量化參數還要修正如下Q(m，i)＝max(2，min(Qa+3，max(Qa-3，Qa))，m＝0Q(m，i)＝max(2，min(Q(m，i-1)+3，max(Q(m，i-1)-3，Q(m，i)))，m＞0，這裡min(.)和max(.)分別表示在兩個數中取較小和較大值，Qa代表已經編碼的基本單元量化參數的平均值。
權利要求
1.一種低複雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預分配過程和量化參數調節過程；其特徵在於，所述比特率預分配過程是利用視頻序列特徵進行碼率預分配；所述量化參數調節過程是根據視頻序列特徵來預測編碼複雜度，進而進行量化參數估計；所述視頻序列特徵是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。
2.按權利要求
1所述的低複雜度的視頻碼率控制方法，其特徵在於，所述碼率預分配包括如下步驟步驟1)設定目標碼率和目標緩衝區佔用率及圖像組大小；根據第一個幀間幀各個編碼單元的差分直方圖，初始化求取當前幀的差分直方圖值，並將直方圖平均值初始化為該值；在同一圖像組內，後續圖像差分直方圖的平均值按照累加平均的方式得到；步驟2)對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼複雜度；步驟3)計算相鄰幀的差分並統計其直方圖，計算差分直方圖序列的均值；然後根據當前幀直方圖和均值之間的差異，結合目標碼率和目標緩衝區佔用率，按照均值—比例模型來分配幀級碼率；步驟4)在幀一級碼率分配的基礎上，進一步根據各個碼率控制基本單元的差分直方圖，採用均值一比例模型來分配基本單元級的碼率。
3.按權利要求
1所述的低複雜度的視頻碼率控制方法，其特徵在於，所述量化參數估計包括如下步驟步驟5)按照一幀內相鄰編碼單元直方圖分布，預測當前編碼單元的編碼複雜度；步驟6)得到當前編碼單元的編碼複雜度之後，根據預分配的碼率，計算出當前編碼單元的量化參數；利用該量化參數對當前圖像進行編碼，並且用編碼後得到的碼率去修正下一幀的碼率分配。
4.按權利要求
2所述的低複雜度的視頻碼率控制方法，其特徵在於，所述碼率控制基本單元為宏塊行。
專利摘要
本發明涉及一種低複雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預分配過程和量化參數調節過程；其特徵在於，所述比特率預分配過程是利用視頻序列特徵進行碼率預分配；所述量化參數調節過程是根據視頻序列特徵來預測編碼複雜度，進而進行量化參數估計；所述視頻序列特徵是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。本發明的優點在於可根據視頻內容的變化及時調節碼率分配；量化參數計算簡單有效，具有內容自適應性；碼率分配和調節貼近視頻內容變化，具有好的率－失真性能；採用累加更新統計量的方式，避免了延遲。
文檔編號H04N7/50GK1992898SQ200510135494
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日
發明者周樹民, 李錦濤, 張勇東 申請人:中國科學院計算技術研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan