專利名稱：一種用于圖像壓縮傳輸?shù)牧炕c碼流控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及視頻通訊領域，尤其涉及視頻信息的傳輸與處理領域。
在視頻信息傳輸系統(tǒng)中，需要傳輸大量的視頻信號，但是由于帶寬的限制，又不可能將視頻信號以原樣進行傳輸，必須對視頻信號進行壓縮處理之后，才能是視頻信號的傳輸成為可能，在視頻信號壓縮處理中，量化與碼流控制又是一個必不可少的重要環(huán)節(jié)，它直接影響圖像壓縮效率與主觀圖像質(zhì)量。主觀圖像質(zhì)量是指在一幅圖像中，由于重要信息和次要信息對人視覺影響的差異帶來的在人的視覺上所得到的評價。在視頻信號壓縮處理過程中，量化與碼流控制通常采用緩存區(qū)(Buffer)控制方法，這種方法根據(jù)編碼器緩沖區(qū)的充盈程度對圖像進行宏塊級量化參數(shù)控制，優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點是沒有考慮圖像具體內(nèi)容信息的重要程度，容易造成對重要圖像信息量化粗糙，影響圖象主觀質(zhì)量，另外該方法還會造成碼流控制的滯后，影響碼流控制的效果。
壓縮圖像碼流與壓縮圖像失真度之間存在一定的關系，根據(jù)率失真控制理論，即信息編成碼率與允許失真度的關系的理論，人們還提出了一種量化與碼率控制方法，這種方法的基本思想是在給定編碼速率的情況下，通過控制量化參數(shù)，達到壓縮圖像的最小失真度，如ITU公布的H.263的測試模型TMN8和TMN11中提到的碼流控制方法，便是這種思想在實際應用中的兩個經(jīng)典例子。TMN8和TMN11的優(yōu)點是對碼率的控制比較平穩(wěn)，但它存在的缺點是在一幀內(nèi)的量化參數(shù)分布不夠均勻，沒有考慮對人眼的視覺特點，會造成壓縮圖像主觀質(zhì)量的下降。
本發(fā)明的目的是提供一種用于壓縮圖像傳輸?shù)牧炕c碼流控制方法，結合圖像具體內(nèi)容信息，考慮人眼的視覺需求，對一幀圖像內(nèi)的量化參數(shù)分布進行調(diào)整，以提高壓縮圖象的主觀質(zhì)量，并有效防止碼流控制的滯后，使碼流控制的效果更加理想。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種用于壓縮圖像傳輸?shù)牧炕c碼流控制方法，將緩沖區(qū)控制與率失真理論相結合，對不同特點的圖像采用不同的率失真函數(shù)，同時參考人眼的視覺特性，對整幀圖像量化參數(shù)分布進行調(diào)整。
本發(fā)明所述方法的處理步驟如下第一步幀級量化參數(shù)控制1通過緩沖區(qū)控制確定當前幀平均量化值；2根據(jù)當前圖象幀的失真度調(diào)整平均量化值；3根據(jù)人眼在空間域的感官特性限定幀級量化值范圍；4根據(jù)當前幀的平均量化值與編碼比特數(shù)預測下一幀平均量化值；第二步宏塊級量化控制1根據(jù)當前圖像特點運用率失真理論調(diào)整量化值；2根據(jù)人眼特性細化中心區(qū)域量化值。
該方法簡單有效，便于實現(xiàn)，在給定傳輸速率下，可使壓縮圖象主觀質(zhì)量評價顯著提高，滿足實際應用的需要。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。


圖1是采用傳統(tǒng)編碼器緩存區(qū)量化控制方法的系統(tǒng)框圖；圖2是采用本發(fā)明所述量化與碼率控制方法的系統(tǒng)框3所示是本發(fā)明所述的量化與碼率控制方法流程圖。
圖1所示的系統(tǒng)框圖是傳統(tǒng)編碼器緩存區(qū)量化控制方法的框圖，從圖1中可以看出，該方法是根據(jù)編碼器緩沖區(qū)的充盈程度在宏塊級進行量化控制，并沒有考慮圖像具體信息的重要程度，從而極大地影響了圖像的主觀質(zhì)量。
圖2所示是圖像編碼系統(tǒng)的框圖，本發(fā)明所述量化與碼流控制的方法位于上述編碼系統(tǒng)框圖的量化與碼率控制模塊中，這一改進措施充分考慮了在一幅圖像中，重要信息和次要信息對人視覺影響的差異，并且相應地加以控制，突出重要信息，提高圖像質(zhì)量，相應地降低對次要信息的要求，滿足視覺對不同視覺信息的要求，從而在總體上實現(xiàn)了主觀質(zhì)量的提高。
圖3是本發(fā)明所述的量化與碼率控制方法流程圖，本發(fā)明所述的量化與碼流控制方法可具體依次分為幀級量化控制與宏塊級量化控制兩部分。
第一步幀級量化參數(shù)控制1通過緩沖區(qū)控制當前幀預分配編碼比特數(shù)根據(jù)緩沖區(qū)空滿狀態(tài)調(diào)整當前圖像預分配編碼比特數(shù)，本步驟一方面可有效控制信道傳輸延遲，另一方面可結合信道實際速率狀態(tài)，調(diào)整每一幀預分配編碼比特數(shù)，能夠有效利用信道當前帶寬。
具體實施如下B^=B×(2.2×nDelayBufNum-bufoccupy)(2×nDelayBufNum+bufoccupy)]]>其中 當前幀圖像實際預分配比特數(shù)；B=RateFrame]]>表示在給定幀率(Frame)與碼率(Rate)情況下，每一幀圖像的平均編碼比特數(shù)；nDelayBufNum編碼器與信道之間的緩沖區(qū)大??；bufoccupy緩沖區(qū)內(nèi)已編碼未傳送比特數(shù)。
當bufoccupy＝0.1×nDelayBufNum時，即編碼緩沖區(qū)充盈度為總緩沖區(qū)大小的10％時，當前幀預分配比特數(shù) 與平均編碼比特數(shù)B相等；bufoccupy＞0.1×nDelayBufNum時，當前幀預分配比特數(shù) 比平均編碼比特數(shù)B減少，以防止編碼緩沖區(qū)上溢，可有效控制編碼傳輸延遲；bufoccupy＜0.1×nDelayBufNum時，當前幀預分配比特數(shù) 比平均編碼比特數(shù)B增加，以防止編碼緩沖區(qū)下溢，可有效利用當前傳輸帶寬。2根據(jù)當前圖象幀的失真度調(diào)整平均量化值根據(jù)圖像實際失真度的不同，修正平均量化值，使量化反饋快速適應具體圖像失真度的要求，如果圖像的失真度大則提高量化值，反之則降低量化值，保證輸出碼率的均勻。具體實施公式如下ΔQ‾=E‾i-E‾i-1E‾i-1×Q‾]]>Q＝Q＋ΔQ其中ΔQ當前幀圖像平均量化參數(shù)修正值；Q當前幀平均量化參數(shù)；E‾=SADtotalMB×256]]>表示一幀圖像的平均失真度SADtotal=Σk=0MB-1SADk]]>SADk第k個宏塊與運動估計匹配塊的差分絕對值和(SAD)；MB一幀圖像包含的宏塊數(shù)；下標i圖像幀的序號；當Ei＞Ei－1時，即當前幀圖像失真度大于前一幀圖像失真度時，當前幀圖像平均量化參數(shù)增加，當Ei＜Ei－1時，當前幀圖像平均量化參數(shù)減小，這樣可以一定程度上預先保證輸出碼率的均勻，防止碼率控制的滯后。
具體實施時，可以將以上ΔQ結果嵌位在一定的范圍內(nèi)，如[-1，1]，從而保證幀與幀之間的量化系數(shù)不要變動得過于劇烈，避免造成圖像主觀質(zhì)量下降。3根據(jù)人眼在空間域的感官特性限定幀級量化值范圍考慮到人眼在空間域上對圖象質(zhì)量分布不均比較敏感，因此加入此步驟，保證幀內(nèi)量化值變化不要過于劇烈，以提高主觀圖像質(zhì)量。
具體實施時可以將圖像宏塊量化參數(shù)Q的波動范圍限制在以平均量化參數(shù)Q為中心的一個區(qū)間里，如Q∈[max(Q－2，|2)，min(Q＋2，20)]4根據(jù)當前幀圖像的平均量化值與編碼比特數(shù)預測下一幀圖像平均量化值應用此步驟的目的是為了維持相鄰圖像幀間量化參數(shù)具有一定的繼承性，從而保證時間域上圖像質(zhì)量的平穩(wěn)過渡，提高圖象主觀質(zhì)量。具體實施公式如下 其中E‾=SADtotalMB×256]]>表示一幀圖像的平均失真度；SADtotal，MB描述同前；Q^=1MBΣi=0MB-1Qi,]]>表示當前幀的平均量化值； 當前幀圖像實際預分配比特數(shù)； 當前幀圖像實際編碼比特數(shù)；在 即當前幀圖像實際編碼比特數(shù)大于當前幀圖像實際預分配比特數(shù) 情況下，下一幀圖像的預計平均量化值Q增加，當 時，Q減??；上述公式采用E＞1和E≤1兩種情況的目的是在圖像平均失真度較大的情況下(E＞1)，快速調(diào)整Q以保證在一段時間里碼率的均勻，而在圖像平均失真度較小的情況下(E≤1)，慢調(diào)Q以保證幀間量化參數(shù)變化均勻，提高主觀圖像質(zhì)量。
第二步宏塊級量化控制1根據(jù)當前圖像特點運用率失真理論調(diào)整量化值許多率失真控制方法均使用一種率失真函數(shù)，但事實上靜止圖像序列和運動圖像序列的率失真函數(shù)曲線變化是不同的。根據(jù)率失真理論，一幅圖像的量化系數(shù)Q、碼率B和MAD(平均絕對差)之間近似有如下關系B≈a×MADQ+b×MADQ2]]>其中參數(shù)a和b是模型參數(shù)；在運動量較大的情況下，B與Q之間的反比關系強烈，微小運動或相對靜止情況下，B與Q平方之間的反比關系強烈；在微小運動或相對靜止情況下，一般 成立，在較大運動情況下，一般 成立。為更準確地反映這種關系，本發(fā)明在靜止(或小運動)及大運動情況下分別采用不同的率失真函數(shù)來控制宏塊級量化系數(shù)的改變。從而緊密結合了圖像具體運動信息，在靜止(或小運動)及大運動情況下，壓縮圖像均獲得較好的主觀評價。具體實施公式如下 S0=Σk=0MB-1SADk]]>B^0=B^]]>Sk＋1＝Sk－SADkB^k+1=max(B^k-B~k,1)]]>其中，Qk第k個宏塊量化參數(shù)； 第k個宏塊實際編碼比特數(shù)；
當前幀實際與分配比特數(shù)；其他參數(shù)描述同前；由以上實施公式可以看出，在圖像平均失真度較小的情況下(E≤1)，宏塊間量化參數(shù)的變動范圍較小，以充分保證在小運動和靜止情況下的圖像主觀質(zhì)量，而在圖像平均失真度較大的情況下(E＞1)，宏塊間的量化參數(shù)波動可能較大，以保證在大運動情況下編碼碼率的均勻，因為在大運動情況下人眼對圖像的細節(jié)變化并不敏感。2根據(jù)人眼特性細化中心區(qū)域量化值考慮到人眼對圖像中心區(qū)域質(zhì)量比較敏感，因此在低碼率情況下，可適當犧牲邊緣區(qū)域圖像質(zhì)量來保證重點區(qū)域的圖像效果。
具體實施時可將圖像中心區(qū)域的量化參數(shù)控制在較小的范圍內(nèi)，而邊緣區(qū)域量化參數(shù)適當放大，如Qcenter∈[max(Q－2，2)，min(Q＋2，20)]Qedeg∈[Q，20]其中，Qcenter圖像中心區(qū)域宏塊量化參數(shù)；Qedeg圖像邊緣區(qū)域宏塊量化參數(shù)。
視頻信號壓縮編碼中，量化與碼率控制是的一項重要技術，它直接影響圖像壓縮效率與主觀圖像質(zhì)量。本發(fā)明所述的信號量化與控制方法可廣泛應用于各種圖像壓縮編碼標準，如H261、H263、MPEG-1、MPEG-2中，能夠在有限的信道速率下傳輸較優(yōu)的圖像質(zhì)量，為目前固定速率傳輸(如E1，V.35等)或可變速率傳輸(如Intranet，Intemet等)下碼率控制提供了較好的控制方法，具有較高的實用價值。
權利要求
1.一種用于壓縮圖像傳輸中的量化與碼流控制方法，其特征在于包含以下步驟第一步幀級量化參數(shù)控制1)通過緩沖區(qū)控制來確定當前幀平均量化值；2)根據(jù)當前圖象幀的失真度調(diào)整平均量化值；3)根據(jù)人眼在空間域的感官特性限定幀級量化值范圍；4)根據(jù)當前幀的平均量化值與編碼比特數(shù)預測下一幀平均量化值；第二步宏塊級量化控制5)根據(jù)當前圖象特點運用率失真理論調(diào)整量化值；6)根據(jù)人眼特性細化中心區(qū)域量化值。
2.根據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟1)中的當前幀平均量化值由公式B^=B×(2.2×nDelayBufNum-bufoccupy)(2×nDelayBufNum+bufoccupy)]]>確定，其中B為每一幀圖像的平均編碼比特數(shù)；nDelayBufNum表示編碼器與信道之間的緩沖區(qū)大小；bufoccupy表示緩沖區(qū)內(nèi)已編碼未傳送比特數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟2)中的平均量化值由公式ΔQ‾=E‾i-E‾i-1E‾i-1×Q‾]]>確定，其中ΔQ當前幀圖像平均量化參數(shù)修正值；Q當前幀平均量化參數(shù)；Ei第i幀圖像的平均失真度。
4.根據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟3)中的幀級量化值范圍Q的波動范圍進一步包括將所述波動范圍限制在以平均量化參數(shù)Q為中心的區(qū)間里，即Q∈[max(Q-2，|2)，min(Q+2，20)]。
5.根據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟4)中的下一幀平均量化值由公式 確定，其中，E‾=SADtotal396×256,]]>表示一幀平均到每一個象素的匹配誤差大?。籕^=1MBΣi=0MB-1Qi,]]> 表示當前幀的平均量化值SADtotal=Σk=0MB-1SADk,]]>SADK為第k個宏塊與運動估計匹配塊的差分絕對值和。
6.根據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟5)中的量化值由公式 確定，其中， 表S0=ΣI=0MB-1SADi]]>B^0=B^]]>Si+1=Si-SADiB^i+1=B^i-B~i]]>示第i個宏塊實際編的碼字；SADi表示第i個宏塊與運動估計匹配塊的差分絕對值和。
7.據(jù)權利要求1所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述步驟6)進一步包括將圖像中心區(qū)域的量化參數(shù)控制在較小的范圍內(nèi)，而邊緣區(qū)域量化參數(shù)適當放大。
8.根據(jù)權利要求2所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述的每一幀圖像的平均編碼比特數(shù)B由公式B=RateFrame]]>確定，其中Frame為給定幀率，Rate為碼率。
9.根據(jù)權利要求3所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述的第i幀圖像的平均失真度Ei由公式E‾=SADtotalMB×256]]>確定，其中SADtotal=Σk=0MB-1SADk;]]>SADk第k個宏塊與運動估計匹配塊的差分絕對值和；MB一幀圖像包含的宏塊數(shù)；下標i圖像幀的序號。
10.根據(jù)權利要求5所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述的一幀平均到每一個象素的匹配誤差大小E由公式E‾=SADtotal396×256]]>確定，其中SADtotal=Σk=0MB-1SADk;]]>SADk第k個宏塊與運動估計匹配塊的差分絕對值和(SAD)；MB一幀圖像包含的宏塊數(shù)。
11.根據(jù)權利要求5所述的量化與碼流控制方法，其特征在于，所述的當前幀的平均量化值Q由公式Q^=1MBΣi=0MB-1Qi]]>確定，其中MB表示一幀圖像包含的宏塊數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于視頻通訊領域中壓縮圖像傳輸?shù)牧炕c碼流控制方法,該方法將緩沖區(qū)量化參數(shù)控制與率失真理論相結合,并著重考慮人眼在空間域與時間域的視覺特點,對不同特質(zhì)的圖像采用不同形式的率失真函數(shù)變形,通過幀級量化參數(shù)控制和宏塊級量化控制兩個步驟,在幀一級和宏塊一級對量化參數(shù)進行控制,在碼率控制比較平穩(wěn)的前提下,提供了較好的主觀圖像壓縮質(zhì)量,并且可有效防止碼流控制的滯后,提高碼流控制的效果。
文檔編號G06T9/00GK1332576SQ0012562
公開日2002年1月23日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權日2000年9月29日
發(fā)明者火焰, 趙昕, 王陸, 方馬, 王寧, 趙乘驥 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司