專利名稱：基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低復(fù)雜度的基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法。

背景技術(shù)：
在視頻通信中，承載數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)帶寬都是時(shí)變、有限的，研究人員要考慮的因素不僅僅是純粹的壓縮效率，還要考慮信道帶寬和信源速率的匹配關(guān)系，即對(duì)視頻編碼進(jìn)行碼率控制，以充分利用信道。對(duì)于現(xiàn)有的基于塊的混合視頻編碼方案，如MPEG-4，已有的碼率控制方法通常是從幀類型(I幀、P幀和B幀)、圖像組(GOP)結(jié)構(gòu)(IPP、IBP、IBBP等)、緩存限制、比特率模型、計(jì)算復(fù)雜度等角度入手，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整量化參數(shù)(QP)等編碼器參數(shù)，逼近幀級(jí)或宏塊級(jí)的期望比特?cái)?shù)。但是，最新制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264引入了很多新特性。一方面，包括幀內(nèi)、幀間、跳過(SKIP)在內(nèi)的21種預(yù)測模式，使針對(duì)以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制算法精度大大下降，甚至失效。另一方面，率失真優(yōu)化(RDO)使原本與運(yùn)動(dòng)向量無關(guān)的量化參數(shù)也與之產(chǎn)生了耦合，全局碼率控制變得更加困難。更重要的是，在H.264中，QP作為RDO過程的輸入，之后又要根據(jù)RDO的輸出反過來估計(jì)最優(yōu)的QP，這種全耦合的迭代優(yōu)化的計(jì)算開銷是實(shí)時(shí)編碼中不可忍受的。
Z.He等人發(fā)表在國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)雜志《針對(duì)視頻技術(shù)的電路與系統(tǒng)》(IEEETrans.on Circuits and Systems for Video Technology)上的文章《變換編碼中一個(gè)統(tǒng)一的率失真分析框架》(A unified rate-distortion analysis framework for transform coding)中指出在視頻編碼中，每一個(gè)量化參數(shù)QP都對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的量化步長q，而量化步長q和零系數(shù)比例ρ之間又存在粗略的一一映射關(guān)系。那么，對(duì)于變換編碼后的殘差系數(shù)(I幀為幀內(nèi)預(yù)測殘差，P和B幀為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差)，可以由統(tǒng)計(jì)變換系數(shù)的分布而獲得這個(gè)零系數(shù)比例ρ與自變量q的映射關(guān)系，即 其中，L是當(dāng)前視頻幀的系數(shù)個(gè)數(shù)，D0(x)和D1(x)是殘差系數(shù)的離散余弦變換后的統(tǒng)計(jì)直方圖(包括交流系數(shù)和直流系數(shù))。這樣，就以量化步長q為聯(lián)系紐帶獲得了ρ-QP映射表。同時(shí)，Z.He在該篇文章中還提出了一個(gè)線性信源碼率模型 R(ρ)＝θ·(1-ρ) 并將基于零系數(shù)比例的分析叫做ρ域分析。其中，θ是斜率參數(shù)，ρ是量化后零系數(shù)所占的比例，R是殘差系數(shù)編碼比特率，單位為比特/象素(bit per pixel，bpp)。這個(gè)模型的不足之處在于，此模型的精確性測試僅僅對(duì)國際圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)JEPG，國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2、H.263和MPEG-4適用，而對(duì)于零系數(shù)比例相對(duì)較大的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264(較多的SKIP模式宏塊、4x4整數(shù)變換及尺度變換等)并不十分適用，需要做進(jìn)一步修正。
此外，對(duì)于低復(fù)雜度的視頻編碼碼率控制方法，目前可查到的專利如下 (a)申請(qǐng)?zhí)枮?00610052814.5的專利公開了一種基于低內(nèi)存消耗查詢表的視頻壓縮碼率控制方法； (b)申請(qǐng)?zhí)枮?00510073985.1的專利公開了一種低復(fù)雜度的積分碼率控制方法； (c)申請(qǐng)?zhí)枮?00510135494.5的專利公開了一種基于視頻序列局部運(yùn)動(dòng)的差分直方圖統(tǒng)計(jì)的碼率控制方法； 這些碼率控制方法雖然保證了低復(fù)雜度，但是抽取的視頻內(nèi)容特征描述方式不如ρ域特性更能體現(xiàn)視頻內(nèi)容的特征，對(duì)碼率控制算法的精度有一定影響，因此需要找到一個(gè)既有較低計(jì)算復(fù)雜度，又有較高碼率控制精度的通用控制方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，基于視頻內(nèi)容的空域線性特性和時(shí)域連續(xù)性，提供一種低復(fù)雜度的基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法，具有簡單實(shí)用，性能優(yōu)越，計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存的需求極小的特點(diǎn)，不僅適合于以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261、H.263、MPEG-2、MPEG-4，還適合最新的H.264標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明提出了一種基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法，其特征在于，給定目標(biāo)碼率

(單位為比特/象素/秒)，編碼端基于ρ域模型進(jìn)行GOP級(jí)和幀級(jí)的比特率(單位為比特/象素)分配算法來實(shí)現(xiàn)碼率控制，具體包括以下步驟 1)預(yù)編碼一個(gè)圖像組，獲取碼率控制方法初始的特征參數(shù) 以初始的量化參數(shù)QP編碼視頻序列的一組GOP幀，并在信息庫中記錄下每幀的特征參數(shù){δi，ρi，θi，Δci，si}，其中，字母下標(biāo)i∈[1，LGOP]∩Z+表示本GOP中的編碼幀號(hào)，取正整數(shù)；δi，ρi，θi，Δci分別為第i幀對(duì)應(yīng)的ρ域模型中的殘差紋理復(fù)雜度參數(shù)、零系數(shù)比例參數(shù)、碼率模型斜率參數(shù)、碼率模型截?fù)?jù)差參數(shù)；si為第i幀中運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率Rjmv和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率Rjcoe的比值； 2)根據(jù)目標(biāo)碼率計(jì)算GOP比特率預(yù)算 (21)計(jì)算一個(gè)GOP所能分配的比特率

更新剩余可用比特率

(首次運(yùn)行時(shí)，等式右邊的

初始化為零)；其中，LGOP為GOP長度(單位為幀)，f為視頻編碼幀率(單位為幀/秒)； (22)如果視頻幀類型為I幀(幀內(nèi)幀)，跳轉(zhuǎn)到步驟3)； 如果幀類型為P幀(單向預(yù)測幀)或B幀(雙向預(yù)測幀)，跳轉(zhuǎn)到步驟4)。
3)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的I幀比特率

和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，跳轉(zhuǎn)到步驟5)； 4)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ； 5)根據(jù)期望的零系數(shù)比例ρ估計(jì)當(dāng)前幀的量化系數(shù)QPj (51)查詢?chǔ)?QP映射表，獲得從零系數(shù)比例ρ到量化參數(shù)QP的轉(zhuǎn)換； (52)檢測量化參數(shù)的變化幅度，將變化幅度限制在ΔQP內(nèi)； 6)以量化參數(shù)QPj編碼當(dāng)前視頻幀 (61)編碼視頻幀，獲得該幀真實(shí)的輸出比特率
(62)計(jì)算剩余可用比特率

其中，符號(hào)max{·}表示取兩個(gè)數(shù)中的最大值； 7)在信息庫中記錄當(dāng)前幀實(shí)際的編碼特征參數(shù)，并根據(jù)幀號(hào)選擇跳轉(zhuǎn)位置 (71)在信息庫中保存當(dāng)前幀的特征參數(shù){δ，ρ，θ，Δc，s}(以備其后的視頻幀的特征參數(shù)預(yù)測所需)； (72)如果幀號(hào)j≠LGOP，則令j＝j(luò)+1，跳轉(zhuǎn)到步驟4)； (73)如果幀號(hào)j＝LGOP，則令j＝1，跳轉(zhuǎn)到步驟2)。
本發(fā)明簡單實(shí)用，性能優(yōu)越，主要有以下有益效果 (a)對(duì)基于變換編碼的視頻碼率控制提供了一個(gè)通用的處理框架，其中修正的ρ域比特率模型的形式更加通用，不僅適合于以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261、H.263、MPEG-2、MPEG-4，還適合最新的H.264標(biāo)準(zhǔn)； (b)本方法計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存的需求極小，僅僅對(duì)幾個(gè)歷史的空域線性特性ρ域模型參數(shù)樣點(diǎn)值做線性回歸，然后借助ρ變量，就可以預(yù)測出當(dāng)前幀的編碼碼率； (c)預(yù)測過程不會(huì)有誤差傳遞，并能跟隨輸入視頻數(shù)據(jù)自適應(yīng)地動(dòng)態(tài)調(diào)整。



圖1為本發(fā)明基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法的流程框圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明提出的一種基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下 在本發(fā)明中 (a)空域線性特性由ρ域模型來刻畫(為背景技術(shù)介紹中Z.He的線性信源碼率模型的針對(duì)H.264的修正模型)， R(ρ)＝θ·(1-ρ)+Δc 其中，ρ為量化后的零系數(shù)在當(dāng)前幀中所占的比例、Δc為截距差，R(ρ)為在零系數(shù)比例ρ條件下的視頻單幀的編碼碼率；模型斜率參數(shù)θ與當(dāng)前幀的視頻紋理復(fù)雜度δ有關(guān)，進(jìn)一步由如下斜率-紋理復(fù)雜度模型定義 θ＝σ2·eα(1-δ) 其中，δ由歸一化的平均絕對(duì)誤差(MAD)來度量，即當(dāng)前幀和預(yù)測幀間的所有殘差系數(shù)絕對(duì)值之和再除以255。σ和α是模型參數(shù)。
(b)時(shí)域連續(xù)性由以前已編碼幀的參數(shù){θ，Δc，s}來表征；其中，θ，Δc為空域模型中的參數(shù)，s為一幀中運(yùn)動(dòng)向量碼率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼碼率之比； 本發(fā)明提出的方法，其特征在于，給定目標(biāo)碼率

(單位為比特/象素/秒)，編碼端基于ρ域模型進(jìn)行GOP級(jí)和幀級(jí)的比特率(單位為比特/象素)分配算法來實(shí)現(xiàn)碼率控制，該方法流程如圖1所示，具體包括以下步驟 1)預(yù)編碼一個(gè)圖像組，獲取碼率控制方法初始的特征參數(shù) 以初始的量化參數(shù)QP編碼視頻序列的一組GOP幀，并在信息庫中記錄下每幀的特征參數(shù){δi，ρi，θi，Δci，si}，其中，字母下標(biāo)i∈[1，LGOP]∩Z+表示本GOP中的編碼幀號(hào)，取正整數(shù)；δi，ρi，θi，Δci分別為第i幀對(duì)應(yīng)的ρ域模型中的殘差紋理復(fù)雜度參數(shù)、零系數(shù)比例參數(shù)、碼率模型斜率參數(shù)、碼率模型截?fù)?jù)差參數(shù)；si為第i幀中運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率Rjmv和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率Rjcoe的比值； 2)根據(jù)目標(biāo)碼率計(jì)算GOP比特率預(yù)算 (21)計(jì)算一個(gè)GOP所能分配的比特率

更新剩余可用比特率

(首次運(yùn)行時(shí)，等式右邊的

初始化為零)；其中，LGOP為GOP長度(單位為幀)，f為視頻編碼幀率(單位為幀/秒)； (22)如果視頻幀類型為I幀(幀內(nèi)幀)，跳轉(zhuǎn)到步驟3)； 如果幀類型為P幀(單向預(yù)測幀)或B幀(雙向預(yù)測幀)，跳轉(zhuǎn)到步驟4)。
3)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的I幀比特率

和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，跳轉(zhuǎn)到步驟5)； 4)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ； 5)根據(jù)期望的零系數(shù)比例ρ估計(jì)當(dāng)前幀的量化系數(shù)QPj (51)查詢?chǔ)?QP映射表，獲得從零系數(shù)比例ρ到量化參數(shù)QP的轉(zhuǎn)換； (52)檢測量化參數(shù)的變化幅度，將變化幅度限制在ΔQP內(nèi)； 6)以量化參數(shù)QPj編碼當(dāng)前視頻幀 (61)編碼視頻幀，獲得該幀真實(shí)的輸出比特率
(62)計(jì)算剩余可用比特率

其中，符號(hào)max{·}表示取兩個(gè)數(shù)中的最大值； 7)在信息庫中記錄當(dāng)前幀實(shí)際的編碼特征參數(shù)，并根據(jù)幀號(hào)選擇跳轉(zhuǎn)位置 (71)在信息庫中保存當(dāng)前幀的特征參數(shù){δ，ρ，θ，Δc，s}(以備其后的視頻幀的特征參數(shù)預(yù)測所需)； (72)如果幀號(hào)j≠LGOP，則令j＝j(luò)+1，跳轉(zhuǎn)到步驟4)； (73)如果幀號(hào)j＝LGOP，則令j＝1，跳轉(zhuǎn)到步驟2)。
上述步驟3)中根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的I幀比特率

和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，包括以下步驟 (31)計(jì)算期望的I幀比特率

其中，wI，wP，wB分別為I、P、B類型的單幀視頻期望比特率權(quán)重，1，γP，γB為它們?cè)谝粋€(gè)GOP中所占的數(shù)量； (32)更新當(dāng)前I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}，即用當(dāng)前I幀相鄰的前一個(gè)I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}作為當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}； (33)計(jì)算期望的零系數(shù)比例

跳轉(zhuǎn)到步驟5)；其中，

是視頻幀包頭的比特率； 上述步驟4)中根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，具體包括以下步驟 (41)計(jì)算當(dāng)前幀j的可用比特率； (411)如果剩余可用比特率

則進(jìn)行跳幀處理(無需編碼該幀)； (412)如果剩余可用比特率

則 (a)如果當(dāng)前幀為P幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的P幀數(shù)目減1 γP＝γP-1； (b)如果當(dāng)前幀為B幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的B幀數(shù)目減1 γB＝γB-1； (42)檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，并更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc和比特率比s}； (43)計(jì)算當(dāng)前幀在期望比特率

限制下對(duì)應(yīng)的零系數(shù)比例 上述步驟42)中檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc和比特率比s}，具體包括以下步驟 (421)將當(dāng)前幀之前的N個(gè)最近的同類型視頻幀作為預(yù)測參考幀，從信息庫中取出與其對(duì)應(yīng)的N組特征參數(shù)值{θi，δi，Δci，si}，1≤i≤N，并轉(zhuǎn)換為{lnθi，δi，Δci，si}；其中，N為正整數(shù)，變量下標(biāo)i∈Z+表示相鄰的參考幀號(hào)；θi為第i個(gè)參考幀的線性碼率模型斜率，δi為第i個(gè)參考幀的殘差紋理復(fù)雜度； (422)將斜率-紋理復(fù)雜度模型線性化為 lnθ(δ)＝2lnσ+α(1-δ) 并對(duì)上述N組樣點(diǎn)值做最小二乘擬合，求取模型參數(shù)α和σ，并更新特征參數(shù){θ，Δc，s} (a)估計(jì)當(dāng)前編碼幀的斜率-紋理復(fù)雜度模型參數(shù)值 其中， (b)更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){θ，Δc，s} ρ域比特率模型斜率值θ＝σ2eα(1-δ)； ρ域比特率模型截?fù)?jù)差 運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率的比值 本發(fā)明方法結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
本實(shí)施例的條件如下 設(shè)編碼器采用國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264的參考軟件JM；編碼器GOP結(jié)構(gòu)為IBPBP...，其中GOP長度為15；I、P、B幀類型的單幀期望比特?cái)?shù)權(quán)重為wI＝10，wP＝1.5和wB＝1，其在一個(gè)GOP中所占的數(shù)量分別為1、7和7；編碼幀率f＝30。測試序列采用標(biāo)準(zhǔn)化圖像格式(CIF，352x288)的Foreman序列； 本實(shí)施例的方法為給定目標(biāo)碼率

(單位為比特/象素/秒)，編碼器可以基于ρ域模型進(jìn)行GOP級(jí)和幀級(jí)的比特率(單位為比特/象素)分配算法來實(shí)現(xiàn)碼率控制，具體包括以下步驟 1)預(yù)編碼一個(gè)圖像組，獲取碼率控制方法初始的特征參數(shù) 以初始的量化參數(shù)QP＝28來編碼視頻序列的一個(gè)GOP，并在信息庫中記錄下每幀的特征參數(shù){δi，ρi，θi，Δci，si}，其中，字母下標(biāo)i∈[1，LGOP]∩Z+表示本GOP中的編碼幀號(hào)，Z+表示取正整數(shù)；δi，ρi，θi，Δci分別為第i幀對(duì)應(yīng)的ρ域模型中的殘差紋理復(fù)雜度參數(shù)、零系數(shù)比例參數(shù)、碼率模型斜率參數(shù)、碼率模型截?fù)?jù)差參數(shù)；si為第i幀中運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率Rjmv和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率Rjcoe的比值； 2)根據(jù)目標(biāo)碼率計(jì)算GOP比特率預(yù)算 (21)計(jì)算一個(gè)GOP所能分配的比特率

更新剩余可用比特率

(首次運(yùn)行時(shí)，等式右邊的

初始化為零)； (22)如果視頻幀類型為I幀，跳轉(zhuǎn)到步驟3)； 如果幀類型為P或B幀，跳轉(zhuǎn)到步驟4)。
3)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的I幀比特率

和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，包括以下步驟 (31)計(jì)算期望的I幀比特率
(32)更新當(dāng)前I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}，即用當(dāng)前I幀相鄰的前一個(gè)I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}作為當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}； (33)計(jì)算期望的零系數(shù)比例

跳轉(zhuǎn)到步驟5)；其中，

是視頻幀包頭的比特率； 4)根據(jù)剩余可用比特率

計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，包括以下步驟 (41)計(jì)算當(dāng)前幀j的可用比特率； (411)如果剩余可用比特率

則進(jìn)行跳幀處理(無需編碼該幀)； (412)如果剩余可用比特率

則 (a)如果當(dāng)前幀為P幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的P幀數(shù)目減一 γP＝γP-1； (b)如果當(dāng)前幀為B幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的B幀數(shù)目減一 γB＝γB-1； (42)檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，并更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc和比特率比s}，即由當(dāng)前幀最相鄰的前兩個(gè)同類型的幀的特征參數(shù)來預(yù)測(P幀由其前兩個(gè)P幀來預(yù)測，B幀由其前兩個(gè)B幀來預(yù)測)。
(421)從信息庫中取出與當(dāng)前幀之前的2個(gè)最近的同類型視頻幀對(duì)應(yīng)的2組模型參數(shù)值{θ1，δ1，Δc1，s1}，{θ2，δ2，Δc2，s2}，并轉(zhuǎn)換為{lnθ1，δ1，Δc1，s1}，{lnθ2，δ2，Δc2，s2}；其中，θ1，θ2分別為第1，2個(gè)參考幀的比特率模型斜率，δ1，δ2為第1，2個(gè)參考幀的殘差紋理復(fù)雜度，Δc1，Δc2為第1，2個(gè)參考幀的線性碼率模型的截?fù)?jù)差，s1，s2為第1，2個(gè)參考幀的運(yùn)動(dòng)向量碼率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼碼率的比值。
(422)用斜率-紋理復(fù)雜度模型線性化為 lnθ(δ)＝2lnσ+α(1-δ) 并對(duì)上述2組樣點(diǎn)值做最小二乘擬合，求取模型參數(shù)α和σ，并更新特征參數(shù){θ，Δc，s} (a)估計(jì)當(dāng)前編碼幀的斜率-紋理復(fù)雜度模型模型參數(shù)值 (b)更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){θ，Δc，s} ρ域碼率模型斜率值θ＝σ2eα(1-δ)； ρ域碼率模型截?fù)?jù)差 運(yùn)動(dòng)向量碼率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼碼率的比值 (43)計(jì)算當(dāng)前幀在期望比特率

限制下對(duì)應(yīng)的零系數(shù)比例 5)根據(jù)期望的零系數(shù)比例ρ估計(jì)當(dāng)前幀的量化系數(shù)Qpj (51)查詢?chǔ)?QP映射表，獲得從零系數(shù)比例ρ到量化參數(shù)QP的轉(zhuǎn)換；其中，ρ-QP映射表由背景技術(shù)介紹的方式獲得。
在本實(shí)施例下的ρ-QP映射表以CIF格式的中等運(yùn)動(dòng)復(fù)雜度的Foreman標(biāo)準(zhǔn)測試序列為例，對(duì)于I幀，其映射表如下
對(duì)于P幀和B幀，其映射表如下

即是說，檢測計(jì)算出的ρ靠那個(gè)區(qū)間的邊界最近，就取對(duì)應(yīng)的QP值。舉例來說，對(duì)于I幀，若ρ＝0.953，那么其屬于區(qū)間
，靠0.951最近，所以取0.951對(duì)應(yīng)的量化參數(shù)33； (52)檢測量化參數(shù)的變化幅度，將限制在ΔQP＝±2內(nèi)；即是說，如果上一幀QP＝26，但是步驟(51)給出來的QP＝29(或23)，那么最多只能取到QP＝28(或24)；如果步驟 (51)給出來的QP＝27，處于[24，28]范圍內(nèi)，所以當(dāng)前幀不必限幅。
6)以量化參數(shù)QPj編碼當(dāng)前視頻幀 (61)編碼視頻幀，獲得該幀真實(shí)的輸出比特率
(62)計(jì)算剩余可用比特率

其中，符號(hào)max{·}表示取兩個(gè)數(shù)中的最大值； 7)在信息庫中記錄當(dāng)前幀實(shí)際的編碼特征參數(shù)，并根據(jù)幀號(hào)選擇跳轉(zhuǎn)位置 (71)在信息庫中保存當(dāng)前幀的特征參數(shù){δ，ρ，θ，Δc，s}(以備其后的視頻幀的特征參數(shù)預(yù)測所需)； (72)如果幀號(hào)j≠LGOP，則令j＝j(luò)+1，跳轉(zhuǎn)到步驟4)； (73)如果幀號(hào)j＝LGOP，則令j＝1，跳轉(zhuǎn)到步驟2)。
盡管本發(fā)明已參照具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述和舉例說明，但是并不意味著本發(fā)明限于這些描述的實(shí)施方式。本發(fā)明以國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264為例進(jìn)行說明，但是并不局限于此，但凡依本發(fā)明權(quán)利要求書范圍所做的同等的變化及修飾，均屬于專利保護(hù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種基于ρ域的視頻碼率控制方法，其特征在于，給定目標(biāo)碼率
編碼端基于ρ域模型依次進(jìn)行圖像組級(jí)和幀級(jí)的比特率分配算法來實(shí)現(xiàn)碼率控制，具體包括以下步驟
1)預(yù)編碼一個(gè)圖像組，獲取碼率控制方法初始的特征參數(shù)
以初始的量化參數(shù)QP編碼視頻序列的一組GOP幀，并在信息庫中記錄下每幀的特征參數(shù){δi，ρi，θi，Δci，si}，其中，字母下標(biāo)i∈[1，LGOP]∩Z+表示本GOP中的編碼幀號(hào)，取正整數(shù)；δi，ρi，θi，Δci分別為第i幀對(duì)應(yīng)的ρ域模型中的殘差紋理復(fù)雜度參數(shù)、零系數(shù)比例參數(shù)、碼率模型斜率參數(shù)、碼率模型截?fù)?jù)差參數(shù)；si為第i幀中運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率Rjmv和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率Rjcoe的比值；
2)根據(jù)目標(biāo)碼率計(jì)算GOP比特率預(yù)算
(21)計(jì)算一個(gè)GOP所能分配到的比特率
更新剩余可用比特率
初始化為零；其中，LGOP為GOP長度，f為視頻編碼幀率；
(22)如果視頻幀類型為I幀，跳轉(zhuǎn)到步驟3)；
如果幀類型為P幀或B幀，跳轉(zhuǎn)到步驟4)；
3)根據(jù)剩余可用比特率
計(jì)算期望的I幀比特率
和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，跳轉(zhuǎn)到步驟5)；
4)根據(jù)剩余可用比特率
計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ；
5)根據(jù)期望的零系數(shù)比例ρ估計(jì)當(dāng)前幀的量化系數(shù)QPj
(51)查詢?chǔ)?QP映射表，獲得從零系數(shù)比例ρ到量化參數(shù)QP的轉(zhuǎn)換；
(52)檢測量化參數(shù)的變化幅度，將變化幅度限制在ΔQP內(nèi)；
6)以量化參數(shù)QPj編碼當(dāng)前視頻幀
(61)編碼視頻幀，獲得該幀真實(shí)的輸出比特率
(62)計(jì)算剩余可用比特率
其中，符號(hào)max{·}表示取兩個(gè)數(shù)中的最大值；
7)在信息庫中記錄當(dāng)前幀實(shí)際的編碼特征參數(shù)，并根據(jù)幀號(hào)選擇跳轉(zhuǎn)位置
(71)在信息庫中保存當(dāng)前幀的特征參數(shù){δ，ρ，θ，Δc，s}；
(72)如果幀號(hào)j≠LGOP，則令j＝j(luò)+1，跳轉(zhuǎn)到步驟4)；
(73)如果幀號(hào)j＝LGOP，則令j＝1，跳轉(zhuǎn)到步驟2)。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟3)中根據(jù)剩余可用比特率
計(jì)算期望的I幀比特率
和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，包括以下步驟
(31)計(jì)算期望的I幀比特率
其中，wI，wP，wB分別為I、P和B類型的單幀視頻期望的比特率權(quán)重，1，γP，γB為它們?cè)谝粋€(gè)GOP中所占的數(shù)量；
(32)更新當(dāng)前I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}，用當(dāng)前I幀相鄰的前一個(gè)I幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}作為當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc}；
(33)計(jì)算期望的零系數(shù)比例
跳轉(zhuǎn)到步驟5)；其中，
是視頻幀包頭的比特率。
3.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟4)中根據(jù)剩余可用比特率
計(jì)算期望的P幀或B幀比特率和相應(yīng)的零系數(shù)比例ρ，具體包括以下步驟
(41)計(jì)算當(dāng)前幀j的可用比特率；
(411)如果剩余可用比特率
則進(jìn)行跳幀處理；
(412)如果剩余可用比特率
則
(a)如果當(dāng)前幀為P幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的P幀數(shù)目減1
γP＝γP-1；
(b)如果當(dāng)前幀為B幀，則該幀分配到的期望比特率為
該GOP中等待分配比特率的B幀數(shù)目減1
γB＝γB-1；
(42)檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，并更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc和比特率比s}；
(43)計(jì)算當(dāng)前幀在期望比特率
限制下對(duì)應(yīng)的零系數(shù)比例
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，所述步驟(42)中檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){斜率θ、截距差Δc和比特率比s}，具體包括以下步驟
(421)將當(dāng)前幀之前的N個(gè)最近的同類型視頻幀作為預(yù)測參考幀，從信息庫中取出與其對(duì)應(yīng)的N組特征參數(shù)值{θi，δi，Δci，si}，1≤i≤N，并轉(zhuǎn)換為{ln θi，δi，Δci，si}；其中，N為正整數(shù)，變量下標(biāo)i∈Z+表示相鄰的參考幀號(hào)；θi為第i個(gè)參考幀的線性碼率模型斜率，δi為第i個(gè)參考幀的殘差紋理復(fù)雜度；
(422)將斜率-紋理復(fù)雜度模型線性化為
lnθ(δ)＝2lnσ+α(1-δ)
并對(duì)所述N組樣點(diǎn)值做最小二乘擬合，求取模型參數(shù)α和σ，并更新特征參數(shù){θ，Δc，s}
(a)估計(jì)當(dāng)前編碼幀的斜率-紋理復(fù)雜度模型參數(shù)值
其中，
(b)更新當(dāng)前幀的特征參數(shù){θ，Δc，s}
ρ域比特率模型斜率值θ＝σ2eα(1-δ)；
ρ域比特率模型截?fù)?jù)差
運(yùn)動(dòng)向量編碼比特率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼比特率的比值
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于ρ域的視頻編碼碼率控制方法，屬于多媒體通信技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明包括根據(jù)給定的目標(biāo)碼率確定圖像組(GOP)的比特率，并進(jìn)一步按I幀(幀內(nèi)幀)、P幀(單向預(yù)測幀)、B幀(雙向預(yù)測幀)這3種類型，分別確定幀級(jí)的比特率分配；檢測以前同類型幀的特征參數(shù)，預(yù)測出線性碼率模型的斜率參數(shù)θ、模型截?fù)?jù)差Δc，運(yùn)動(dòng)向量碼率和殘差系數(shù)量化后的熵編碼碼率的比值s，并計(jì)算出滿足碼率限制的零系數(shù)比例ρ；查詢?chǔ)?QP映射表獲得量化參數(shù)QP，并以此QP編碼當(dāng)前視頻幀；本發(fā)明的碼率控制方法，簡單實(shí)用，性能優(yōu)越，兼容原有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H04N7/32GK101287123SQ200810112629
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者戴瓊海, 肖紅江, 峰 陸 申請(qǐng)人:清華大學(xué)