專利名稱：一種視頻編碼比特率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字視頻通信領(lǐng)域中的視頻信息的傳輸與處理領(lǐng)域，具體涉及一種視頻編碼比特率控制方法。
在限定失真信源編碼理論中，率失真(R-D)函數(shù)R(D)定義為給定信源消息概率分布{P(xi)}及平均失真函數(shù)允許失真D的前提下，編碼傳輸這些信源消息，并使其失真程度在允許范圍內(nèi)時，所需要的信息編碼傳輸編碼比特率的極小值?；赗(D)函數(shù)的定義，可以得到以下結(jié)論在允許一定失真的條件下，編碼比特率可以減小，同時所需要的信道容量也可以相應(yīng)地減小。并且允許的失真度越大，則編碼比特率可被壓縮的程度也越大。另一方面，從信源本身來看，若允許的失真度越大，則信源的發(fā)生率(即信源的時間熵)可被壓縮的程度也越大。這便引出了限定失真的信源編碼問題，也是數(shù)字信號編碼方法中率失真優(yōu)化的理論根據(jù)。
在數(shù)字視頻編碼系統(tǒng)中，編碼器的編碼比特率和圖像失真都與量化參數(shù)有關(guān)，為了便于分析，一般采用編碼比特率-量化函數(shù)R(q)描述編碼比特率與量化參數(shù)的關(guān)系，同樣采用編碼失真-量化函數(shù)D(q)描述圖像失真與量化參數(shù)之間的關(guān)系。通過對這兩個函數(shù)的分析，進行數(shù)字信號編碼的率失真優(yōu)化，從而實現(xiàn)編碼比特率控制。然而，這種基于量化參數(shù)的編碼比特率函數(shù)和失真函數(shù)都具有很強的非線性特征，并且與信源的相關(guān)性很強。采用這種數(shù)學模型為編碼系統(tǒng)實現(xiàn)準確地編碼比特率-失真分析，必須建立非常復(fù)雜的編碼比特率函數(shù)和失真函數(shù)。如美國專利No.6,366,704，No.6,356,668，No.6,212,302，No.6,037,987，No.6,072,831和No.6,167,162中，在解決編碼比特率控制問題時，都采用了基于量化參數(shù)的編碼比特率-失真模型，這些模型要么比較簡單，采用量化參數(shù)的二階多項式近似描述非線性編碼比特率函數(shù)，使其準確性受到一定限制；要么非常復(fù)雜，采用高階多項式描述非線性編碼比特率函數(shù)，使其準確性得到改善，但計算復(fù)雜度又很高，難以應(yīng)用于實際的編碼系統(tǒng)中。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種視頻編碼比特率控制方法，其特征在于包含以下幾個步驟①建立量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表；②根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定當前圖像的目標編碼比特數(shù)；③利用給定變換比參數(shù)與量化后的變換系數(shù)的平均信息熵之間的比值，確定達到目標編碼比特數(shù)相應(yīng)的變換比參數(shù)的大小；④根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定當前圖像編碼的量化參數(shù)；⑤根據(jù)當前宏塊的失真度調(diào)整下一個宏塊的變換比參數(shù)；⑥根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一個宏塊編碼的量化參數(shù)；重復(fù)步驟⑤，直至一幀所有宏塊編碼結(jié)束；
⑦根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定下一幀圖像的目標編碼比特數(shù)；⑧根據(jù)當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)值與實際編碼比特數(shù)之間的比值，確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)的大??；⑨根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一幀圖像編碼的量化參數(shù)；⑩重復(fù)步驟⑤-⑨，直到編碼結(jié)束。
本發(fā)明用于數(shù)字視頻編碼系統(tǒng)中，在傳統(tǒng)的基于量化參數(shù)的視頻編碼的編碼比特率控制方法所采用的率失真模型的基礎(chǔ)上，采用變換比參數(shù)重新構(gòu)造了新的率失真模型，并通過量化參數(shù)與變換比參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)快速、準確地編碼比特率控制。本發(fā)明具有如下主要優(yōu)點其一.變換比參數(shù)與編碼比特數(shù)之間具有良好的線性關(guān)系，有利于實現(xiàn)快速、準確地編碼比特率預(yù)測。
其二.變換比參數(shù)與編碼失真度之間具有良好的信源弱相關(guān)性，有利于實現(xiàn)快速、準確地編碼比特分配優(yōu)化。
其三.變換比參數(shù)與量化參數(shù)之間存在對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系，可以通過查找表的方式，快速實現(xiàn)編碼比特率的控制。
第一步建立量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表。
變換比參數(shù)p是原始圖像經(jīng)過離散余弦變換后，有編碼實際意義的系數(shù)(不被量化為零的系數(shù))的數(shù)目NT與原始像素數(shù)目N0的比值，即p＝NT/N0。量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系通過公式p=1-1MΣ|x|<2qD0(x)-1MΣ|x|<2.5qD1(x)]]>得到。其中，D0(x)和D1(x)分別為幀內(nèi)編碼和幀間編碼宏塊的離散余弦變換系數(shù)分布，X為量化后的變換系數(shù)的取值，q為量化參數(shù)，p為相應(yīng)的變換比參數(shù)，M為當前圖像的像素數(shù)。
第二步根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定當前圖像的目標編碼比特數(shù)。
采用公式RT=CF-(B-0.2×BT)-RMV-RH]]>得到當前圖像的目標編碼比特數(shù)。其中，B為編碼已用緩沖區(qū)大小，C為信道帶寬，F(xiàn)為幀率，BT為緩沖器大小，RMV和RH分別為運動矢量和頭信息的編碼比特數(shù)。也可采用公式RT=CF×2.4×BT-B2×BT+B-RMV-RH]]>得到當前圖像的目標編碼比特數(shù)。其目的是根據(jù)緩沖區(qū)空滿狀態(tài)調(diào)整當前圖像預(yù)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(jié)合信道實際速率狀態(tài)，調(diào)整每一幀預(yù)分配編碼比特數(shù)，能夠有效利用信道當前帶寬。當B＝0.2×BT，即編碼緩沖區(qū)充盈度為總緩沖區(qū)大小的20％時，當前幀預(yù)分配比特數(shù)RT等于平均編碼比特數(shù)CF-RMV-RH;]]>B＞0.2×BT時，前幀預(yù)分配比特數(shù)RT小于平均編碼比特數(shù)CF-RMV-RH]]>，以防止編碼緩沖區(qū)上溢，可有效控制編碼傳輸延遲；B＜0.2×BT時，前幀預(yù)分配比特數(shù)RT大于平均編碼比特數(shù)CF-RMV-RH]]>，以防止編碼緩沖區(qū)下溢，可有效利用當前傳輸帶寬；第三步利用給定變換比參數(shù)與量化后的變換系數(shù)的平均信息熵之間的比值，確定達到目標編碼比特數(shù)相應(yīng)的變換比參數(shù)的大小。
通過公式pT=RTH0·p0]]>確定目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，其中pT為目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，RT為目標編碼比特數(shù)，p0為量化參數(shù)設(shè)為16時所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，H0為量化參數(shù)設(shè)為16時經(jīng)過量化后的變換系數(shù)的平均信息熵。
第四步根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定當前圖像編碼的量化參數(shù)。
第五步根據(jù)當前宏塊的失真度調(diào)整下一個宏塊的變換比參數(shù)。
對于當前編碼圖像的第一個宏塊，采用當前圖像的變換比參數(shù)進行編碼。對于下一個編碼宏塊的變換比參數(shù)，由公式pi=1ai[lnaiσi2θi+1Σi=1Lθi(RT-Σi=1Lθiai·lnaiσi2θi)]]]>得到。其中，θi＝Ri/pi，Ri為當前宏塊的實際編碼比特數(shù)，pi為當前宏塊的變換比參數(shù)，ai=1pilnσiDi]]>，σi為當前宏塊的標準差，Di為當前宏塊的失真度，RT是目標編碼比特數(shù)，L為已編碼的宏塊數(shù)。
第六步根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一個宏塊編碼的量化參數(shù)。
第七步根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定下一幀圖像的目標編碼比特數(shù)。具體實施方法與第二步相同。
第八步根據(jù)當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)值與實際編碼比特數(shù)之間的比值，確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)的大小。
通過公式pn+1=RTRn·pn]]>確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，其中pn+1為下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，RT為目標編碼比特數(shù)，pn為當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)，Rn為當前圖像編碼的實際比特數(shù)。
第九步根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一幀圖像編碼的量化參數(shù)；第十步重復(fù)第五步到第九步，直到編碼結(jié)束。
可以看到，以上方法的運算量主要集中在獲得變換系數(shù)的分布過程中，其它環(huán)節(jié)中的計算只有加法和乘法運算。相對于整個編碼處理過程，計算復(fù)雜度很低。
本專利提出的比特率控制方法可以用于不同標準的視頻編碼系統(tǒng)中。這里以MPEG-2 TM5編碼系統(tǒng)為例，說明這種視頻編碼比特率控制方法的效果。在MPEG-2 TM5編碼系統(tǒng)中，采用本專利提出的視頻編碼比特率控制方法替代原有的方法，對測試序列“Foreman”、“Salesman”、“Tabletennis”和“Coastguard”分別進行編碼。
為了描述編碼比特率控制的執(zhí)行效率，定義相應(yīng)的控制誤差為；Erc=R-RTRT×100%]]>其中R和RT分別表示每幀圖像的實際和目標編碼比特數(shù)。表1中分別列出了實驗結(jié)果?？梢钥闯觯緦＠岢龅囊曨l編碼比特率控制方法在給定目標編碼比特率的條件下，有效實現(xiàn)了編碼比特率的控制，控制誤差與原始的MPEG-2TM5系統(tǒng)相比有明顯降低，大約低于2％。同時，圖像質(zhì)量也有顯著改善。平均PSNR提高了0.87dB。
表1將本方法用于MPEG-2 TM5中的編碼比特率控制結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種視頻編碼比特率控制方法，其特征在于包含以下幾個步驟①建立量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表；②根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定當前圖像的目標編碼比特數(shù)；③利用給定變換比參數(shù)與量化后的變換系數(shù)的平均信息熵之間的比值，確定達到目標編碼比特數(shù)相應(yīng)的變換比參數(shù)的大??；④根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定當前圖像編碼的量化參數(shù)；⑤根據(jù)當前宏塊的失真度調(diào)整下一個宏塊的變換比參數(shù)；⑥根據(jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一個宏塊編碼的量化參數(shù)；重復(fù)步驟⑤，直至一幀所有宏塊編碼結(jié)束；⑦根據(jù)編碼緩沖區(qū)的大小確定下一幀圖像的目標編碼比特數(shù)；⑧根據(jù)當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)值與實際編碼比特數(shù)之間的比值，確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)的大?。虎岣鶕?jù)量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系表，確定下一幀圖像編碼的量化參數(shù)；⑩重復(fù)步驟⑤-⑨，直到編碼結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟①中，量化參數(shù)與變換比參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系通過公式p=1-1MΣ|x|<2qD0(x)-1MΣ|x|<2.5qD1(x)]]>得到；其中，D0(x)和D1(x)分別為幀內(nèi)編碼和幀間編碼宏塊的離散余弦變換系數(shù)分布，x為量化后的變換系數(shù)的取值，q為量化參數(shù)，p為相應(yīng)的變換比參數(shù)，M為當前圖像的像素數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟②和步驟⑦中，采用公式RT=CF-(B-0.2×BT)-RMV-RH]]>得到當前圖像的目標編碼比特數(shù)；其中，B為編碼已用緩沖區(qū)大小，C為信道帶寬，F(xiàn)為幀率，BT為緩沖器大小，RMV和RH分別為運動矢量和頭信息的編碼比特數(shù)。也可采用公式RT=CF×2.4×BT-B2×BT+B-RMV-RH]]>得到當前圖像的目標編碼比特數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟③中，通過公式pT=RTH0·p0]]>確定目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，其中pT為目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，RT為目標編碼比特數(shù)，p0為量化參數(shù)設(shè)為16時所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，H0為量化參數(shù)設(shè)為16時經(jīng)過量化后的變換系數(shù)的平均信息熵。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟③中，通過公式pT=RTH0·p0]]>確定目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，其中pT為目標編碼比特數(shù)所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，RT為目標編碼比特數(shù)，p0為量化參數(shù)設(shè)為16時所對應(yīng)的變換比參數(shù)的大小，H0為量化參數(shù)設(shè)為16時經(jīng)過量化后的變換系數(shù)的平均信息熵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟⑤中，對于當前編碼圖像的第一個宏塊，采用當前圖像的變換比參數(shù)進行編碼；對于下一個編碼宏塊的變換比參數(shù)，由公式pi=1ai[lnaiσi2θi+1Σi=1Lθi(RT-Σi=1Lθiai·lnaiσi2θi)]]]>得到；其中，RT是目標編碼比特數(shù)，L為已編碼的宏塊數(shù)，θi＝Ri/pi，Ri為當前宏塊的實際編碼比特數(shù)，pi為當前宏塊的變換比參數(shù)，ai=1pilnσiDi]]>，σi為當前宏塊的標準差，Di為當前宏塊的失真度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟⑤中，對于當前編碼圖像的第一個宏塊，采用當前圖像的變換比參數(shù)進行編碼；對于下一個編碼宏塊的變換比參數(shù)，由公式pi=1ai[lnaiσi2θi+1Σi=1Lθi(RT-Σi=1Lθiai·lnaiσi2θi)]]]>得到；其中，RT是目標編碼比特數(shù)，L為已編碼的宏塊數(shù)，θi＝Ri/pi，Ri為當前宏塊的實際編碼比特數(shù)，pi為當前宏塊的變換比參數(shù)，ai=1pilnσiDi]]>，σi為當前宏塊的標準差，Di為當前宏塊的失真度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟⑧中，通過公式pn+1=RTRn·pn]]>確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，其中pn+1為下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，RT為目標編碼比特數(shù)，pn為當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)，Rn為當前圖像編碼的實際比特數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的視頻編碼比特率控制方法，其特征在于，所述的步驟⑧中，通過公式pn+1=RTRn·pn]]>確定下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，其中pn+1為下一幀圖像編碼的變換比參數(shù)，Rr為目標編碼比特數(shù)，pn為當前圖像編碼所采用的變換比參數(shù)，Rn為當前圖像編碼的實際比特數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種視頻編碼比特率控制方法，利用編碼比特數(shù)與變換比參數(shù)之間存在良好的線性關(guān)系，同時，編碼失真度與變換比參數(shù)之間存在良好的信源弱相關(guān)性，通過變換比參數(shù)實現(xiàn)編碼比特率的快速、準確地估計預(yù)測；根據(jù)預(yù)測結(jié)果與編碼緩沖區(qū)大小確定目標編碼比特數(shù)；再通過變換比參數(shù)和量化參數(shù)之間的關(guān)系，調(diào)整編碼量化參數(shù)，實現(xiàn)編碼比特率的控制；并根據(jù)編碼宏塊的失真度對編碼參數(shù)進行調(diào)整。本發(fā)明可實現(xiàn)快速、準確地編碼比特率預(yù)測、實現(xiàn)快速、準確地編碼比特分配優(yōu)化以及快速實現(xiàn)編碼比特率的控制。
文檔編號G06T9/00GK1434638SQ03118748
公開日2003年8月6日 申請日期2003年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月8日
發(fā)明者張江山, 朱光喜 申請人:華中科技大學