專利名稱：甚低碼率視頻編碼器碼率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻編碼中的碼率控制領(lǐng)域，具體地說是涉及一種甚低碼率視頻編碼 器的碼率控制方法。
背景技術(shù)：
有效的碼率控制策略是低帶寬下傳輸?shù)脱舆t、高質(zhì)量視頻的關(guān)鍵。適于甚低帶寬 碼率控制的算法有H. 26x的TMNx和MPEG-4中的VMx。TMNx、VMx中的碼率控制算法是基于 二階率失真模型的控制算法，同時實現(xiàn)了幀級、對象級和宏塊級的碼率控制，但僅提出對P 幀的碼率控制沒有I幀的碼率控制，在甚低帶寬下使用存在一些問題，例如PSTN、GPRS網(wǎng)絡(luò)寸。碼率控制有幀一級和宏塊一級的碼率控制。幀一級碼率控制對幀內(nèi)所有宏塊使用 同一個量化值，宏塊一級的碼率控制對幀內(nèi)宏塊使用不同的量化值。在低帶寬下不適宜使 用宏塊一級的碼率控制，因為宏塊的量化信息要占用相對較多的編碼位數(shù)。另外，由于低帶 寬下編碼幀率一般比較低，如編碼使用CIF格式圖像，幀率一般為1-5幀/秒，幀之間的相 關(guān)性比較差，使用B幀并不能夠提高圖像的質(zhì)量，而且還會增加編碼的復(fù)雜度和延遲，所以 在低帶寬下一般不使用B幀。而現(xiàn)有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中的碼率控制算法僅提出了 P和B幀的碼率控制模型，沒有 I幀的碼率控制模型，原因是算法假設(shè)編碼的第一幀為I幀，其余幀均為P或B幀。但在實 際應(yīng)用中為了適應(yīng)傳輸容錯和信息檢索的需求編碼中必須有一定數(shù)目的I幀。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠降低編碼緩沖區(qū)延遲，同時提高重建圖像質(zhì)量、碼 率控制精度高的甚低碼率視頻編碼器碼率控制方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明包括I幀碼率控制方法和P幀碼率控制方法，上述的I幀碼率控制方法包 括以下步驟①建立二階率失真模型+ ^二0，其中，Qt為t時刻待計算的量化值，
ai,a2分別是一階和二階系數(shù)，〃 = 7T"V，氏為當(dāng)前幀目標(biāo)編碼位數(shù)、Ht為t時刻編碼使用 的頭信息位數(shù)、Mt為t時刻圖像的絕對平均差函數(shù)值；②初始量化值的求取當(dāng)a2 = 0時，二階率失真模型退化為一階模型，則初始量化③目標(biāo)位數(shù)的分配在一個視頻序列內(nèi)圖像質(zhì)量保持不變的情況下，有 其中，T為視頻序列持續(xù)的周期，巧為序列的輸出位率，NP是序列中P幀數(shù)目，N1是 序列中I幀數(shù)目，M/和M^分別使用前一個同類型幀的絕對平均差函數(shù)值，再根據(jù)二階率 失真模型O2+a2r = 0，利用線性回歸技術(shù)得出 1、a2x和a/、a2p ；④量化值求取
每編碼完一中貞
都要對ai、a2進(jìn)行更新。當(dāng)序列中只有一個I幀，其余均為P幀時，P幀碼率控制方法中的目標(biāo)位數(shù)
其中，吣為工幀的實際編碼位數(shù)； N本發(fā)明對P幀碼率控制方法中得到的P幀量化值進(jìn)行調(diào)整如下1)、如果 Qt < 0. 75Qh 時，令 Qt = 0. 75QH ；2)、如果Qt > 1. 25Qt_i時，采用以下三種進(jìn)行處理(a)、首先令 Qt = 0. 25Qh，(b)、如果Bt > 2Rp，其中Rp為編碼一幀從緩沖區(qū)中刪除的位數(shù)，則令Bt = 2Rp，然 后轉(zhuǎn)到(c)，否則，令Qt = 1.25Qt_i，直接結(jié)束處理；(c)、根據(jù)Bt利用二階率失真模型議+fl/ = 0，求取新的Qt作為當(dāng)前幀的
量化值。采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，根據(jù)基于非常低帶寬線路，如PSTN的遠(yuǎn)程視頻傳輸 需求，提出一種甚低碼率視頻編碼器碼率控制策略，該策略引入二階碼率控制模型實現(xiàn)I 幀碼率控制，以及引入二階率失真模型，對I幀碼率控制算法中的初始量化值選取、目標(biāo)位 數(shù)分配和量化值求取進(jìn)行了改進(jìn)。同時改進(jìn)了原有算法量化值調(diào)整策略，使碼率控制算法 在場景變化時分配合適的量化值。此外對低帶寬下碼率控制中滑動窗口的大小和G0P長度 的動態(tài)調(diào)整進(jìn)行了分析。本發(fā)明與VMx相比明顯提高了碼率控制的精度、降低了輸出緩沖 區(qū)延遲、提高了重建圖像的整體質(zhì)量，并且改進(jìn)了 P幀的碼率控制算法，總之，在甚低碼率 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，有效提高了視頻編碼器碼率控制的精度和傳輸圖像的質(zhì)量。
圖1為本發(fā)明與原VM8碼率控制方法的R-D曲線對比圖。
具體實施例方式實施例1VMx的碼率控制算法僅提出了 P幀的碼率控制模型，沒有I幀的碼率控制模型，原 因是算法假設(shè)編碼的第一幀為I幀，其余幀均為P幀。但在實際應(yīng)用中為了適應(yīng)傳輸容錯 和信息檢索的需求編碼中必須有一定數(shù)目的I幀。在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控應(yīng)用中，為了獲得優(yōu)化 的輸出碼流，本發(fā)明增加了 I幀碼率控制。本發(fā)明包括P幀碼率控制方法和I幀碼率控制方法，上述的I幀碼率控制方法包 括以下步驟①建立二階率失真模型
其中，Qt為t時刻待計算的量化值，ai，a2分別是一階和二階系數(shù)，r與當(dāng)前幀目標(biāo) 編碼位數(shù)、基本信息占用位數(shù)以及圖像的絕對差有關(guān)，由下式給出 其中，Bt為當(dāng)前幀目標(biāo)編碼位數(shù)、Ht為t時刻編碼使用的頭信息位數(shù)、Mt為t時刻 圖像的絕對平均差函數(shù)值，即MAD值。碼率控制主要是通過不斷調(diào)整Qt值實現(xiàn)的，核心則是量化參數(shù)的求取和模型更 新，當(dāng)上述二次方程有解時，Qt通過下述公式計算得到
=Mt -a, +」(Mt -a,)2+A-{Bt -Ht)-Mt -a2 _2.{Bt-Ht)(3)上述ai和a2根據(jù)已編碼幀的實際量化值和編碼位數(shù)，使用線性回歸技術(shù)獲得，每 編碼完一幀都要對和a2進(jìn)行更新。另外在編碼第一幀時％和a2未知，不能利用公式(3) 計算Qt，這時通常令Qt為一定值，其典型值為15，然后根據(jù)編碼后的實際量化值和編碼位 數(shù)，利用線性回歸技術(shù)計算^和a2。②初始量化值的求取由公式(1)可知，當(dāng)a2 = 0時，二階率失真模型退化為一階 模型，這時模型僅有一個參數(shù) ，可以令 取一經(jīng)驗值，典型值130，然后利用公式(3)求取 初始量化值 Qt = Q = XMt/ (Bt-Ht)。而對于I幀后面的第一個P幀的量化值Qt+1可以使用和其前面I幀相同的量化值Qt。③目標(biāo)位數(shù)的分配簡化公式(1)，對于I、P幀分別有 上述二公式中的每個變量右上角符號I、P僅用于區(qū)別是屬于I幀還是P幀的參 數(shù)。在一個視頻序列中有B!t -N1 +B;、NP = T-rt(6)其中，N1是序列中I幀數(shù)目，NP是序列中P幀數(shù)目，T是視頻序列持續(xù)的周期，以秒 為單位，rt是序列的輸出位率，以位/秒為單位。假定在一個視頻序列內(nèi)圖像質(zhì)量保持不變，即I、P幀量化值相同，則有 聯(lián)合公式⑷、(5)、(6)、(7)解得 利用公式⑶可以計算出I幀的目標(biāo)位數(shù)M/,其中M/和M/分別使用前一個同類 型幀的MAD值，再根據(jù)公式⑴利用線性回歸技術(shù)計算出 1、a2x和a/、a/。④量化值求取根據(jù)公式(3)求出Qt，且每編碼完一幀都要對ai、a2進(jìn)行更新。為了使實驗視頻序列具有代表性，試驗使用的測試序列由A、B和C三類序列組合 得到復(fù)合序列，共100幀。其中Mother序列A類25幀、Coastguard序列B類25幀、Basket 序列C類25幀和DancerA類序列25幀。復(fù)合序列不僅包含了不同復(fù)雜度的圖像，而且還 存在不同復(fù)雜度圖像之間的切換，與視頻監(jiān)控中的實際圖像特點比較吻合，具有代表意義。本文對復(fù)合序列分別測試了五種碼率，即9. 6kbps,28. 8kbps,33. 6kbps、 44. 8kbps、56kbps，測試條件為:G0P長度為15、幀率3fps，其中9. 6kbps下GOP長度為30、 中貞率lfps。本發(fā)明與MPEG-4的VM8算法的對比測試結(jié)果如表1，對比曲線如圖1所示，其 中，圖1中曲線A代表原VM8算法，曲線B代表本發(fā)明。顯然，本發(fā)明在低碼率線路上具有 明顯優(yōu)勢。 表 1從表1和圖1中可以看出，從延遲角度來看，由于本發(fā)明使用了合理的I幀量化值 分配算法、對P幀量化值調(diào)整幅度的處理和G0P長度的動態(tài)調(diào)整等一系列措施大大降低了 最大緩沖延遲，避免了緩沖區(qū)上溢。從重建圖像質(zhì)量來看，本發(fā)明在不同帶寬下的PSNR值 均高于原VM8控制方法的PSNR值。而且從圖1可以看出在同一帶寬下，本發(fā)明的重建圖像 的PSNR值比原VM8控制方法的高；在重建圖像質(zhì)量相同的情況下，本發(fā)明比原VM8控制方 法使用的編碼位數(shù)更少。從輸出碼流偏差Db來看，本發(fā)明的輸出碼率平均偏差更小。
其中是第士幀圖像的實際碼率。該值表示平均每幀 Db=~^p，
實際碼率與輸出碼率的偏差，偏差越小表明輸出碼流越適合在給定的帶寬下傳輸，同時編 碼緩沖區(qū)的延遲也越小。實施例2本實施例與實施例1不同的是，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，對P幀碼率控制進(jìn) 行了改進(jìn)。P幀的目標(biāo)位數(shù)分配可以使用公式(9)，當(dāng)序列中只有一個I巾貞，其余均為P幀時， 由公式(6)可得簡化計算公式
，其中，是I幀的實際編碼位數(shù)。 同時，由于VM8控制方法為了保持圖像質(zhì)量的穩(wěn)定，對當(dāng)前幀量化值Qt的調(diào)整幅 度進(jìn)行了限制，即調(diào)整的最大幅度不超過前一幀Qh的0. 25倍。這樣，在前一幀量化值較 小而計算出的當(dāng)前幀量化值較大時，經(jīng)過調(diào)整后的當(dāng)前幀量化值也較小，導(dǎo)致當(dāng)前幀實際 編碼位數(shù)過大，增加傳輸延遲，所以對量化值變化較大的情況要進(jìn)行合理處理。本發(fā)明對P 幀碼率控制方法中得到的P幀量化值進(jìn)行調(diào)整如下1)、如果 Qt < 0. 75Qh 時，令 Qt = 0. 75QH ；2)、如果Qt > 1. 25Qt_i時，采用以下三種進(jìn)行處理
(a)、首先令 Qt = 0. 25Qh，(b)、如果Bt > 2Rp，其中Rp為編碼一幀從緩沖區(qū)中刪除的位數(shù)，則令Bt = 2Rp，然 后轉(zhuǎn)到c，否則，令Qt = 1.25Qt_i，直接結(jié)束處理；(。)、根據(jù)Bt利用二階率失真模型+V= 0，求取新的Qt作為當(dāng)前幀的
量化值。其他技術(shù)特征與實施例1相同。實施例3本實施例與實施例1不同的是，在本實施例中，對于P幀運動向量所占的位數(shù)Ht， VM8碼率控制模型使用的是其前一幀運動向量占的位數(shù)。這假設(shè)前后兩幀的運動向量占的 位數(shù)差別不大，但在實際中前后兩幀運動向量差別比較大，使用前一幀的運動向量并不合 適。本發(fā)明通過統(tǒng)計當(dāng)前幀運動估計后運動向量占的位數(shù)作為模型中的參數(shù)。由于對運動 向量為零并且量化系數(shù)為零的宏塊不進(jìn)行編碼，通過統(tǒng)計運動估計后運動向量占的位數(shù)比 實際編碼中運動向量占位數(shù)略多，但這之間的偏差相對較小而且比采用上一幀運動向量占 的位數(shù)更為精確。另外，滑動窗口用于選取回歸二階模型中的^、％的數(shù)據(jù)個數(shù)，滑動窗口的大小對 ai、a2有很大的影響，從而影響量化值的求取。在甚低帶寬下，編碼幀率比較低，幀之間的相 關(guān)性較差，幾秒前的數(shù)據(jù)可能已經(jīng)不能反映當(dāng)前圖像的特點，在模型更新時應(yīng)盡量選取距 離當(dāng)前幀較近的數(shù)據(jù)，因此滑動窗口不應(yīng)過大，否則滑動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)不能及時反應(yīng)圖像 的變化。實驗表明，在低帶寬下滑動窗口大小為10較為合適。
碼率控制算法一般在一個圖像組G0P內(nèi)進(jìn)行控制，本發(fā)明的G0P是由一個I幀和 一定數(shù)目的P幀的組成。一般情況下G0P的長度為定值，典型值30。在P幀運動估計過程 中，如果采用幀內(nèi)編碼方式的宏塊數(shù)目大于一個閾值，如0. 5倍總宏塊數(shù)時，則將此幀編碼 為I幀。對于這種動態(tài)產(chǎn)生I幀的情況，可以將I幀作為一個新的G0P的開始，同時更新碼 率控制算法中G0P可分配位數(shù)，但不應(yīng)將上一個G0P剩余的可分配位數(shù)累加到當(dāng)前G0P的 可分配位數(shù)上。其他技術(shù)特征與實施例1相同。
權(quán)利要求
一種甚低碼率視頻編碼器視頻控制方法，其特征在于，它包括I幀碼率控制方法和P幀碼率控制方法，所述的I幀碼率控制方法包括以下步驟①建立二階率失真模型其中，Qt為t時刻待計算的量化值，a1，a2分別是一階和二階系數(shù)，Bt為當(dāng)前幀目標(biāo)編碼位數(shù)、Ht為t時刻編碼使用的頭信息位數(shù)、Mt為t時刻圖像的絕對平均差函數(shù)值；②初始量化值的求取當(dāng)a2＝0時，二階率失真模型退化為一階模型，則初始量化值Qt＝0＝a1×Mt/(Bt-Ht)；③目標(biāo)位數(shù)的分配在一個視頻序列內(nèi)圖像質(zhì)量保持不變的情況下，有 <mrow><msubsup> <mi>B</mi> <mi>t</mi> <mi>I</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>T</mi><mo>·</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>t</mi></msub> </mrow> <mrow><msup> <mi>N</mi> <mi>I</mi></msup><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>M</mi> <mi>t</mi> <mi>P</mi></msubsup><mo>·</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mi>P</mi></msubsup> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>M</mi> <mi>t</mi> <mi>I</mi></msubsup><mo>·</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mi>I</mi></msubsup> </mrow></mfrac><mo>·</mo><msup> <mi>N</mi> <mi>P</mi></msup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>B</mi> <mi>t</mi> <mi>P</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>T</mi><mo>·</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>t</mi></msub> </mrow> <mrow><msup> <mi>N</mi> <mi>P</mi></msup><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>M</mi> <mi>t</mi> <mi>I</mi></msubsup><mo>·</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mi>I</mi></msubsup> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>M</mi> <mi>t</mi> <mi>P</mi></msubsup><mo>·</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mi>P</mi></msubsup> </mrow></mfrac><mo>·</mo><msup> <mi>N</mi> <mi>I</mi></msup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中，T為視頻序列持續(xù)的周期，rt為序列的輸出位率，NP是序列中P幀數(shù)目，NI是序列中I幀數(shù)目，和分別為前一個同類型幀的絕對平均差函數(shù)值，再根據(jù)二階率失真模型利用線性回歸技術(shù)得出a1I、a2I和a1P、a2P；④量化值求取每編碼完一幀都要對a1、a2進(jìn)行更新。F2009100645335C0000011.tif,F2009100645335C0000012.tif,F2009100645335C0000015.tif,F2009100645335C0000016.tif,F2009100645335C0000017.tif,F2009100645335C0000018.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甚低碼率視頻編碼器視頻控制方法，其特征在于當(dāng)序列中只有一個I幀，其余均為P幀時，P幀碼率控制方法中的目標(biāo)位數(shù) 其中，A1t為 I幀的實際編碼位數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的甚低碼率視頻編碼器視頻控制方法，其特征在于對P幀碼 率控制方法中得到的P幀量化值進(jìn)行調(diào)整如下1)、如果Qt < 0. 75Qh 時，令 Qt = 0. 75QH ；2)、如果Qt> 1. 25Qh時，采用以下三種進(jìn)行處理(a)、首先令Qt = 0. 25Qt_1;(b)、如果Bt> 2RP，其中Rp為編碼一幀從緩沖區(qū)中刪除的位數(shù)，則令Bt = 2RP，然后轉(zhuǎn) 到(c)，否則，令Qt = 1.25QH，直接結(jié)束處理;(C)、根據(jù)Bt利用二階率失真模型這+a,Qt +fl2r = 0，求取新的Qt作為當(dāng)前幀的量化值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種甚低碼率視頻編碼器視頻控制方法，它包括I幀碼率控制方法和P幀碼率控制方法，所述的I幀碼率控制方法包括以下步驟①建立二階率失真模型；②求取初始量化值；③對目標(biāo)位數(shù)進(jìn)行分配；④求取量化值。本發(fā)明提出一種甚低碼率視頻編碼器碼率控制策略，該策略引入二階碼率控制模型實現(xiàn)I幀碼率控制，以及引入二階率失真模型，對I幀碼率控制算法中的初始量化值選取、目標(biāo)位數(shù)分配和量化值求取進(jìn)行了改進(jìn)。同時改進(jìn)了原有算法量化值調(diào)整策略，使碼率控制算法在場景變化時分配合適的量化值。本發(fā)明與VMx相比明顯提高了碼率控制的精度、降低了輸出緩沖區(qū)延遲、提高了重建圖像的整體質(zhì)量，并且改進(jìn)了P幀的碼率控制算法。
文檔編號H04N7/24GK101854524SQ20091006453
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者周兵, 李曉強, 王宗敏 申請人:鄭州大學(xué)