基于vbr視頻編碼的碼率控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于流媒體【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種基于VBR視頻編碼的碼率控制方法及系統(tǒng)，所述方法包括步驟有：記錄以往完成編碼的每一幀的編碼信息；根據(jù)編碼信息以及視頻編碼的平均碼率，初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù)；根據(jù)率失真優(yōu)化算法設(shè)置當(dāng)前幀的最大碼率；根據(jù)編碼參數(shù)和最大碼率對(duì)當(dāng)前幀進(jìn)行編碼，編碼以多路方式進(jìn)行；估算當(dāng)前幀的當(dāng)前一路編碼產(chǎn)生的編碼碼率、判斷編碼碼率是否將超過最大碼率；若編碼碼率將超過最大碼率，則調(diào)編碼參數(shù)后進(jìn)行下一路編碼，直至當(dāng)前幀的編碼碼率不超過最大碼率。借此，本發(fā)明能夠有效地兼顧了碼率控制和視頻質(zhì)量?jī)煞矫娴囊?，?duì)最大碼率進(jìn)行限制可使播放器的內(nèi)部時(shí)序更加平滑，有利于視頻節(jié)目的流暢播放。
【專利說明】基于VBR視頻編碼的碼率控制方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流媒體【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于VBR (Variable Bit Rate，動(dòng)態(tài)碼 率）視頻編碼的碼率控制方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 視頻壓縮編碼旨在將視頻業(yè)務(wù)中的圖像序列轉(zhuǎn)換成易于存儲(chǔ)、易于傳輸（分發(fā)）、 易于呈現(xiàn)的形式。在固定視頻呈現(xiàn)質(zhì)量的前提下，壓縮率是衡量視頻編碼器的重要性能參 數(shù)之一，因?yàn)閴嚎s率越高，編碼器輸出的視頻文件占用的存儲(chǔ)空間越小。但是，壓縮率并不 是唯一的衡量指標(biāo)。隨著基于視頻壓縮技術(shù)的各項(xiàng)應(yīng)用的層出不窮，視頻編碼器的設(shè)計(jì)需 要兼顧越來越多的因素，以滿足日益豐富多樣的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需要。
[0003] 碼率控制是在設(shè)計(jì)視頻編碼算法時(shí)需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對(duì)編碼過程進(jìn) 行碼率（即比特率）控制，可約束視頻碼流在各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)碼率。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高， 基于網(wǎng)絡(luò)的視頻分發(fā)和呈現(xiàn)已成為可能，但網(wǎng)絡(luò)作為一種公共媒介，需要同時(shí)應(yīng)對(duì)大量用 戶的各種請(qǐng)求，因此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商迫切地需要考慮這樣一個(gè)問題：如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的 高效利用？為解決這一現(xiàn)實(shí)難題，不僅需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還需要對(duì)運(yùn)營(yíng)在網(wǎng)絡(luò)上 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行更有效的管理。以網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播為例，為了應(yīng)對(duì)同一時(shí)間來自成千上 萬用戶的點(diǎn)播請(qǐng)求，即讓每一個(gè)用戶都能享受到相應(yīng)品質(zhì)的視頻服務(wù)，除了需要部署足夠 多的通信線路和路由節(jié)點(diǎn)，還需要限制每個(gè)點(diǎn)播視頻流的瞬時(shí)碼率。如果不對(duì)視頻流的瞬 時(shí)碼率加以限制，任由其增大，那么在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)承載能力給定的情況下，必然會(huì)出現(xiàn)某些視 頻段落的數(shù)據(jù)無法被及時(shí)傳遞到終端的情況。當(dāng)終端因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)而不得不暫停播放時(shí)， 用戶體驗(yàn)必然受到嚴(yán)重影響。
[0004] 碼率控制的方式分為兩種：VBR (Variable Bit Rate,動(dòng)態(tài)碼率）和CBR (Constant Bit Rate，恒定碼率）。CBR對(duì)碼率控制的要求相比VBR更加嚴(yán)格，因?yàn)镃BR要求瞬時(shí)碼率 保持恒定，而VBR允許瞬時(shí)碼率在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。對(duì)于相同的平均碼率，采用VBR通常可 獲得比CBR更好的視頻質(zhì)量。長(zhǎng)久以來，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的稀缺，CBR-直是主要的碼率 控制方式。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷提高，網(wǎng)絡(luò)傳輸成本不斷降低，基 于網(wǎng)絡(luò)的視頻應(yīng)用對(duì)視頻編碼的要求和限制也逐步放開，VBR正取代CBR成為主要的碼率 控制方式。一方面，2013年，中國(guó)電信發(fā)布了《IPTV業(yè)務(wù)視音頻編解碼規(guī)范V3.0》（簡(jiǎn)稱 IPTV3. 0)，該規(guī)范首次在中國(guó)電信IPTV業(yè)務(wù)中引入了 VBR視頻編碼，并對(duì)這類視頻編碼的 最大瞬時(shí)碼率作了限制。另一方面，HLS(Http Live Streaming)、MPEG-DASH等協(xié)議正逐步 成為主要的網(wǎng)絡(luò)流媒體協(xié)議，在這類協(xié)議中，視頻文件以切片為單位通過HTTP (HyperText Transfer Protocol,超文件傳輸協(xié)議）協(xié)議傳遞至終端，一個(gè)切片通常包含10秒鐘的視頻 內(nèi)容，對(duì)于這樣一種視頻分發(fā)方式，顯然不需要采用像CBR那樣苛刻的碼率控制方式，事實(shí) 上，在現(xiàn)有的許多基于HLS (HTTP Live Streaming，超文本直播流）、MPEG-DASH的業(yè)務(wù)系統(tǒng) 中，VBR是被普遍采用的碼率控制方式。在設(shè)計(jì)基于VBR的編解碼器時(shí)，需要采用與CBR不 同的設(shè)計(jì)思路。因?yàn)?，兩者?duì)碼率控制有著不同的要求。盡管VBR允許碼率浮動(dòng)，仍然有必 要對(duì)碼率浮動(dòng)的范圍作嚴(yán)格的限定，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源是有限的，而終端播放要求良好的流暢 性。通過對(duì)碼率浮動(dòng)范圍的嚴(yán)格限定，可降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用 率，同時(shí)可保障終端能持續(xù)流暢地進(jìn)行播放。
[0005] 綜上可知，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際使用上顯然存在不便與缺陷，所以有必要加以改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于VBR視頻編碼的碼率控制方法 及系統(tǒng)，其能夠有效地兼顧了碼率控制和視頻質(zhì)量?jī)煞矫娴囊?，?duì)最大碼率進(jìn)行限制可 使播放器的內(nèi)部時(shí)序更加平滑，有利于視頻節(jié)目的流暢播放。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于VBR視頻編碼的碼率控制方法，包括步 驟有：
[0008] 編碼信息記錄步驟，記錄以往完成編碼的每一幀的編碼信息；
[0009] 編碼參數(shù)初始化步驟，根據(jù)所述編碼信息以及視頻編碼的平均碼率，初始化當(dāng)前 幀的編碼參數(shù)；
[0010] 最大碼率設(shè)置步驟，根據(jù)率失真優(yōu)化算法設(shè)置所述當(dāng)前幀的最大碼率；
[0011] 編碼步驟，根據(jù)所述編碼參數(shù)和所述最大碼率對(duì)所述當(dāng)前幀進(jìn)行編碼，所述編碼 以多路方式進(jìn)行；
[0012] 碼率估算步驟，估算所述當(dāng)前幀的當(dāng)前一路編碼產(chǎn)生的編碼碼率、判斷所述編碼 碼率是否將超過所述最大碼率；
[0013] 編碼參數(shù)調(diào)整步驟，若所述編碼碼率將超過所述最大碼率，則調(diào)所述編碼參數(shù)后 進(jìn)行下一路編碼，直至所述當(dāng)前幀的編碼碼率不超過所述最大碼率。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明所述的碼率控制方法，所述碼率控制方法編碼出的視頻文件符合中國(guó) 電信的IPTV業(yè)務(wù)視音頻編解碼規(guī)范V3. 0。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明所述的碼率控制方法，所述初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù)的步驟包括：
[0016] 根據(jù)一階模型初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明所述的碼率控制方法，所述最大碼率設(shè)置步驟包括：
[0018] 通過對(duì)每一幀設(shè)定最大比特?cái)?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)所述最大碼率的控制，每一幀的所述最大 碼率不低于平均碼率。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于VBR視頻編碼的碼率控制方法，其特征在于，包括步驟有： 編碼信息記錄步驟，記錄以往完成編碼的每一幀的編碼信息； 編碼參數(shù)初始化步驟，根據(jù)所述編碼信息以及視頻編碼的平均碼率，初始化當(dāng)前幀的 編碼參數(shù)； 最大碼率設(shè)置步驟，根據(jù)率失真優(yōu)化算法設(shè)置所述當(dāng)前幀的最大碼率； 編碼步驟，根據(jù)所述編碼參數(shù)和所述最大碼率對(duì)所述當(dāng)前幀進(jìn)行編碼，所述編碼以多 路方式進(jìn)行； 碼率估算步驟，估算所述當(dāng)前幀的當(dāng)前一路編碼產(chǎn)生的編碼碼率、判斷所述編碼碼率 是否將超過所述最大碼率； 編碼參數(shù)調(diào)整步驟，若所述編碼碼率將超過所述最大碼率，則調(diào)所述編碼參數(shù)后進(jìn)行 下一路編碼，直至所述當(dāng)前幀的編碼碼率不超過所述最大碼率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碼率控制方法，其特征在于，所述碼率控制方法編碼出的視 頻文件符合中國(guó)電信的IPTV業(yè)務(wù)視音頻編解碼規(guī)范V3. 0。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碼率控制方法，其特征在于，所述初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù) 的步驟包括： 根據(jù)一階模型初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碼率控制方法，其特征在于，所述最大碼率設(shè)置步驟包括： 通過對(duì)每一幀設(shè)定最大比特?cái)?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)所述最大碼率的控制，每一幀的所述最大碼率 不低于平均碼率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碼率控制方法，其特征在于，所述當(dāng)前幀的所述最大碼率采 用如下公式表示：
其中，RK代表第k幀編碼后的大小，第k幀是當(dāng)前幀，K代表碼率的統(tǒng)計(jì)間隔，即每隔K 幀統(tǒng)計(jì)一次碼率，Η為限定的最大碼率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述的碼率控制方法，其特征在于，所述當(dāng)前幀的所述最 大碼率采用如下公式表示：
其中，RK代表第k幀編碼后的大小，第k幀是當(dāng)前幀，Κ代表碼率的統(tǒng)計(jì)間隔，即每隔Κ 幀統(tǒng)計(jì)一次碼率，Η為限定的最大碼率：
為視頻編碼的平均碼率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碼率控制方法，其特征在于，所述編碼信息記錄步驟中所述 編碼信息包括RK、D K、QK，RK代表第k幀編碼后的編碼碼率，DK代表第k幀的失真，Q K代表第 k幀的編碼參數(shù)； 所述編碼參數(shù)初始化步驟進(jìn)一步包括： 根據(jù){(氏，Dp QJ} i 以及視頻編碼的平均碼率
初始化第k幀的編碼參數(shù)QK。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的碼率控制方法，其特征在于，所述編碼信息記錄步驟進(jìn)一步 包括： 記錄先前已完成編碼的每一幀的編碼信息，記輸入的第k幀為Χκ，對(duì)第k幀的編碼比特 解碼得到的重構(gòu)幀為
，且
其中，MXN是乂￡的維度，XK(i>j)代表Χκ的第（i，j)個(gè)元素； 所述編碼參數(shù)初始化步驟進(jìn)一步包括： 根據(jù){(氏，Dp QD} α μ η及視頻編碼的平均碼率及，初始化第k幀的編碼參數(shù)QK，平均 碼率的計(jì)算公式如下：

其中，E[ ·]代表數(shù)學(xué)期望，根據(jù)一階模型設(shè)定編碼參數(shù)QK，即 所述最大碼率設(shè)置步驟進(jìn)一步包括：
根據(jù)以及視頻編碼的平均碼率
，設(shè)置第k幀的編碼碼率的最大 碼率Ηκ ; 設(shè) k = tk+n,其中，1 < η < K,則
其中，Κ是碼率統(tǒng)計(jì)的間隔，Ηκ是限定的最大碼率，Rk_i為已經(jīng)編碼的第k-i幀的編碼 碼率，
為期望的平均碼率； 所述編碼步驟進(jìn)一步包括： 根據(jù)編碼參數(shù)QK和最大碼率Ηκ對(duì)第k幀進(jìn)行一輪編碼，所述編碼以多路方式進(jìn)行； 所述碼率估算步驟進(jìn)一步包括： 對(duì)第k幀的編碼過程進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)第k幀已編碼部分所用的比特估算編碼碼率RK，判 斷編碼碼率RK是否將超過所述最大碼率Ηκ ; 編碼參數(shù)調(diào)整步驟進(jìn)一步包括： 若所述編碼碼率RK將超過所述最大碼率Ηκ，中斷當(dāng)前這路編碼，更新Qk - Qk+ δ，并調(diào) 所述編碼參數(shù)QK后啟動(dòng)下一路編碼，直至所述當(dāng)前幀的編碼碼率RK不超過所述最大碼率 Ηκ。
9. 一種基于VBR視頻編碼的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，包括有： 編碼信息記錄模塊，用于記錄以往完成編碼的每一幀的編碼信息； 編碼參數(shù)初始化模塊，用于根據(jù)所述編碼信息以及視頻編碼的平均碼率，初始化當(dāng)前 幀的編碼參數(shù)； 最大碼率設(shè)置模塊，用于根據(jù)率失真優(yōu)化算法設(shè)置所述當(dāng)前幀的最大碼率； 編碼模塊，用于根據(jù)所述編碼參數(shù)和所述最大碼率對(duì)所述當(dāng)前幀進(jìn)行編碼，所述編碼 以多路方式進(jìn)行； 碼率估算模塊，用于估算所述當(dāng)前幀的當(dāng)前一路編碼產(chǎn)生的編碼碼率、判斷所述編碼 碼率是否將超過所述最大碼率； 編碼參數(shù)調(diào)整模塊，用于若所述編碼碼率將超過所述最大碼率，則調(diào)所述編碼參數(shù)后 進(jìn)行下一路編碼，直至所述當(dāng)前幀的編碼碼率不超過所述最大碼率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述碼率控制系統(tǒng)編碼出的視 頻文件符合中國(guó)電信的IPTV業(yè)務(wù)視音頻編解碼規(guī)范V3. 0。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼參數(shù)初始化模塊用于 根據(jù)一階模型初始化當(dāng)前幀的編碼參數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述最大碼率設(shè)置模塊用于通 過對(duì)每一幀設(shè)定最大比特?cái)?shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)所述最大碼率的控制，每一幀的所述最大碼率不低于 平均碼率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述當(dāng)前幀的所述最大碼率采 用如下公式表示：
其中，RK代表第k幀編碼后的大小，第k幀是當(dāng)前幀，K代表碼率的統(tǒng)計(jì)間隔，即每隔K 幀統(tǒng)計(jì)一次碼率，Η為限定的最大碼率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9?13任一項(xiàng)所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述當(dāng)前幀的所述 最大碼率采用如下公式表示：
其中，RK代表第k幀編碼后的大小，第k幀是當(dāng)前幀，Κ代表碼率的統(tǒng)計(jì)間隔，即每隔Κ 幀統(tǒng)計(jì)一次碼率，Η為限定的最大碼率
為視頻編碼的平均碼率。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼信息包括RK、DK、QK， RK代表第k幀編碼后的編碼碼率，DK代表第k幀的失真，QK代表第k幀的編碼參數(shù)； 所述編碼參數(shù)初始化模塊用于根據(jù)以及視頻編碼的平均碼豸
初始化第k幀的編碼參數(shù)QK。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的碼率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼信息記錄模塊用于 記錄先前已完成編碼的每一幀的編碼信息，記輸入的第k幀為Χ κ，對(duì)第k幀的編碼比特解碼 得到的重構(gòu)幀為
且

其中，MXN是乂￡的維度，XK(i>j)代表Χκ的第（i，j)個(gè)元素； 所述編碼參數(shù)初始化模塊用于根據(jù){(氏，Dp QD } α μη及視頻編碼的平均碼率初 始化第k幀的編碼參數(shù)
f均碼率的計(jì)算公式如下：

其中，E[ ·]代表數(shù)學(xué)期望，根據(jù)一階模型設(shè)定編碼參數(shù)QK，即
所述最大碼率設(shè)置模塊用于根據(jù)以及視頻編碼的平均碼率
設(shè) 置第k幀的編碼碼率的最大碼率Ηκ ; 設(shè) k = tk+n，其中，1 < η < K，則
其中，Κ是碼率統(tǒng)計(jì)的間隔，Ηκ是限定的最大碼率，Rk_i為已經(jīng)編碼的第k-i幀的編碼 碼率，及為期望的平均碼率； 所述編碼模塊用于根據(jù)編碼參數(shù)QK和最大碼率Ηκ對(duì)第k幀進(jìn)行一輪編碼，所述編碼以 多路方式進(jìn)行； 所述碼率估算模塊用于對(duì)第k幀的編碼過程進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)第k幀已編碼部分所用的 比特估算編碼碼率RK，判斷編碼碼率RK是否將超過所述最大碼率Ηκ; 所述編碼參數(shù)調(diào)整模塊用于若所述編碼碼率RK將超過所述最大碼率Ηκ，中斷當(dāng)前這路 編碼，更新Qk - Qk+ S，并調(diào)所述編碼參數(shù)QK后啟動(dòng)下一路編碼，直至所述當(dāng)前幀的編碼碼 率RK不超過所述最大碼率Η κ。
【文檔編號(hào)】H04N19/147GK104159109SQ201410231040
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】范鈺華, 申青平, 顧煒, 陳永華, 王振興 申請(qǐng)人:百視通網(wǎng)絡(luò)電視技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司