基于梯度的自適應(yīng)高性能視頻編碼碼率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及圖像通信領(lǐng)域中的視頻編碼碼率控制問題，尤其是設(shè)及一種高性能視 頻編碼標(biāo)準(zhǔn)肥VC的帖間編碼自適應(yīng)碼率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著技術(shù)的不斷進步，視頻分辨率逐漸提高，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。經(jīng)過 MPEG、JPEG W及H. 264/AVC等視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與完善，新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)肥VC誕生。 雖然與比264/AVC相比，肥VC編碼標(biāo)準(zhǔn)節(jié)約了約50%的編碼碼率，但是隨著高清視頻的出 現(xiàn)，節(jié)省傳輸數(shù)據(jù)量的問題逐漸進入人們視野。因此，如何在有限帶寬下，實時傳輸編碼碼 流，盡可能降低時延，同時避免緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出成為視頻編碼領(lǐng)域研究的熱點。
[0003]目前已有的碼率分配模型主要有S種，R-Q模型、R-P模型和R-A模型，由于R-Q 模型和R-P模型存在較多的缺點，肥VC采用的是最新的R-A模型。肥VC標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制 過程分為=層，GOP層，帖層和LCU層。碼率分配的主要思想是根據(jù)復(fù)雜度進行目標(biāo)比特分 配，目標(biāo)比特影響編碼參數(shù)更新，編碼參數(shù)精確度直接決定實際編碼比特精確度。目前學(xué)術(shù) 界關(guān)于如何使實際比特更加接近目標(biāo)比特，緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量減少，同時使輸出比特更加 平穩(wěn)的優(yōu)化算法已有很多，并大多數(shù)已經(jīng)取得了良好的效果。
[0004]在肥VC碼率控制算法的研究中，Zhongzhu Yang等在現(xiàn)有的R-A模型基礎(chǔ)上提 出了一種低延時的基于緩沖區(qū)狀態(tài)的碼率控制算法，設(shè)置較小的緩沖區(qū)，利用緩沖區(qū)狀態(tài) 進行碼率控制，從而達到實際碼率與目標(biāo)碼率盡量接近，同時避免緩沖區(qū)溢出的目的。Ling Tian等人提出了 一種基于梯度的帖內(nèi)碼率控制算法，通過建立帖內(nèi)像素的平均梯度與編碼 比特之間的對應(yīng)關(guān)系達到碼率控制的目的，另外還改善了量化參數(shù)QP的計算方式，提出一 種新的目標(biāo)比特與QP之間的對應(yīng)關(guān)系。在H. 264/AVC碼率控制算法的研究中，化n Gu Lee 等人提出一種基于梯度的H. 264/AVC帖內(nèi)碼率控制算法，在標(biāo)準(zhǔn)的分層基礎(chǔ)上增加了宏塊 行層，利用宏塊行梯度占帖總梯度的比例分配宏塊行目標(biāo)比特，然后利用每一個宏塊的梯 度占當(dāng)前宏塊行總梯度的比例分配當(dāng)前宏塊的目標(biāo)比特。此外，在帖層分配目標(biāo)比特時還 使用了緩沖區(qū)狀態(tài)反饋，達到更準(zhǔn)確地分配實際比特的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)肥VC中的碼率控制問題，本發(fā)明利用視頻序列的 帖間相似性及緩沖區(qū)狀態(tài)，提出了一種基于梯度的自適應(yīng)高性能視頻編碼碼率控制方法， 降低了緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量，降低了時延，提高了視頻質(zhì)量，在帶寬一定的實時編碼傳輸過程 中具有較好的應(yīng)用前景。
[0006] 本發(fā)明的基本思想是利用梯度作為復(fù)雜度的度量方式，自適應(yīng)地獲取LCU的帖內(nèi) 帖間梯度表示其復(fù)雜度，進行LCU層目標(biāo)比特分配。同時，利用已編碼帖累加的緩沖區(qū)滯留 數(shù)據(jù)量對帖層目標(biāo)比特分配進行調(diào)節(jié)，達到實際比特與目標(biāo)比特盡量準(zhǔn)確的目的。
[0007] 本發(fā)明針對肥VC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)提供了一種基于梯度的自適應(yīng)高性能視頻編碼碼 率控制方法。主要包括緩沖區(qū)狀態(tài)調(diào)節(jié)帖層目標(biāo)比特W及LCU層自適應(yīng)梯度選擇。在帖層 碼率控制過程中，通過已編碼帖累加的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量對當(dāng)前帖目標(biāo)比特進行調(diào)節(jié)；在 LCU層碼率控制中，對LCU的復(fù)雜度表示方式進行改進，對I帖的LCU采用帖內(nèi)梯度表示復(fù) 雜度，對非I帖的LCU自適應(yīng)選擇帖內(nèi)帖間梯度的較小值表示復(fù)雜度。本發(fā)明利用緩沖區(qū) 狀態(tài)調(diào)節(jié)帖層目標(biāo)比特，并根據(jù)帖類型自適應(yīng)地選擇梯度表示復(fù)雜度，從而使實際碼率更 加符合給定的目標(biāo)碼率，并使緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量明顯減少，同時使實際比特趨于平穩(wěn)，W充 分利用有限的帶寬。具體主要包括W下過程步驟：
[0008] (1)根據(jù)配置文件設(shè)置的目標(biāo)碼率、帖率W及GOP大小得到GOP層目標(biāo)比特和帖層 標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特，并設(shè)置緩沖區(qū)大??；
[0009] (2)判斷當(dāng)前編碼帖是否為第一帖，若為第一帖，帖層目標(biāo)比特為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特加 緩沖區(qū)大小。若不是第一帖，帖層目標(biāo)比特為經(jīng)過緩沖區(qū)狀態(tài)調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特；
[0010] (3)遍歷當(dāng)前帖的每個LCU，求出其帖內(nèi)梯度，判斷當(dāng)前帖是不是I帖，若是I帖， 則將帖內(nèi)梯度累加得到帖層總梯度。若不是I帖，則遍歷每個LCU，獲取其帖內(nèi)帖間自適應(yīng) 梯度，將每個LCU的自適應(yīng)梯度累加，得到帖層總梯度；
[00川 （4)根據(jù)當(dāng)前LCU的梯度占當(dāng)前帖總梯度的比例分配每個LCU的目標(biāo)比特，并根據(jù) LCU的尺寸得到每個LCU的模擬帶寬；
[0012] (5)進入xCompressCU，對每個LCU進行編碼，其編碼實際比特與模擬帶寬的差值 累加到緩沖區(qū)，得到已編碼帖累加的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)，并在下一帖的帖層比特分配時進行 反饋調(diào)節(jié)，得到下一帖的目標(biāo)比特。
[0013] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述帖層標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特為配置文件設(shè)置的目標(biāo)碼率 除W帖率得到的每帖目標(biāo)比特，未經(jīng)緩沖區(qū)狀態(tài)調(diào)整，而所述帖層目標(biāo)比特是經(jīng)緩沖區(qū)狀 態(tài)調(diào)整后的帖層目標(biāo)比特。
[0014] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述緩沖區(qū)大小為帖層標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特的S分之一。
[0015] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述緩沖區(qū)狀態(tài)調(diào)整帖層目標(biāo)比特的具體方法為：
…
[0017] 其中，化aiVf表示每帖的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特，bufsize表示緩沖區(qū)大小，bu化sed表示 緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量。0為調(diào)整系數(shù)，經(jīng)過實驗統(tǒng)計，本發(fā)明的方法取最優(yōu)值2。
[0018] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述帖間梯度為當(dāng)前LCU每個像素點與參考帖相同 位置的像素點之間的亮度差值累加，具體求解公式為：
[0019] R(x,y) =If(x,y)-I,(x,y)似
[0021] 其中，If(x，y)表示當(dāng)前位置像素亮度，If(x，y)表示參考帖同位置像素亮度。 j，k)即為帖間梯度。
[0022] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述非I帖的自適應(yīng)梯度為帖內(nèi)梯度與帖間梯度的 較小值表示當(dāng)前LCU的復(fù)雜度。
[0023] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述LCU模擬帶寬為根據(jù)當(dāng)前LCU的尺寸占帖尺寸 的比例分配的LCU目標(biāo)比特。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的上述方法可W編制執(zhí)行上述基于梯度的自適應(yīng)高性能視頻編碼碼 率控制方法的肥VC視頻編碼器。
[00巧]本發(fā)明是基于W下思路分析而完成的：
[0026] 標(biāo)準(zhǔn)的肥VC碼率控制算法主要分為兩步：第一步是根據(jù)帖結(jié)構(gòu)、紋理復(fù)雜度等參 數(shù)進行目標(biāo)比特分配；第二步是根據(jù)目標(biāo)比特調(diào)整編碼器參數(shù)，從而影響實際比特分配，使 實際比特更加接近目標(biāo)比特。由于目標(biāo)比特分配是碼率控制的首要一步，其準(zhǔn)確程度直接 影響著后續(xù)編碼的性能，因此，碼率控制優(yōu)化方法主要是通過改善目標(biāo)比特分配的方法來 改善碼率控制效果。
[0027] 肥VC目標(biāo)碼率分配方法分為S層：GOP層是碼率控制的第一層，該層通過提前設(shè) 置的目標(biāo)碼率、序列帖率W及GOP的大小等參數(shù)設(shè)置一個GOP的目標(biāo)比特。帖層目標(biāo)比特 取決于當(dāng)前帖在GOP中的位置，即當(dāng)前帖在GOP中目標(biāo)比特所占結(jié)構(gòu)權(quán)重。LCU層目標(biāo)比 特取決于當(dāng)前LCU的復(fù)雜度在帖復(fù)雜度中所占權(quán)重。帖層目標(biāo)比特影響LCU層目標(biāo)比特， LCU層目標(biāo)比特影響LCU層編碼參數(shù)更新，從而影響LCU層實際編碼比特，最終影響帖層實 際比特。因此，可W通過改善帖層和LCU層目標(biāo)比特分配方式來改善碼率控制性能。
[0028] 碼率控制效果的主要參數(shù)之一是實際編碼比特與固定帶寬之間的差值，即緩沖區(qū) 滯留數(shù)據(jù)量。緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量少而且平穩(wěn)，表示在固定帶寬實時傳輸情況下的延時低，反 之亦然。為了優(yōu)化帖層目標(biāo)比特的分配，本發(fā)明的方法采用了已編碼帖緩沖區(qū)狀態(tài)反饋機 審IJ。通過當(dāng)前緩沖區(qū)狀態(tài)來調(diào)整當(dāng)前帖的目標(biāo)比特，使當(dāng)前帖實際編碼比特更加精確，同時 使該帖累加到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)對緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量有所調(diào)整。
[0029] 帖層碼率控制的效果由LCU層比特分配效果直接決定。在標(biāo)準(zhǔn)的肥VC碼率控制 方法中，LCU層目標(biāo)比特分配采用復(fù)雜度權(quán)重的方式，其復(fù)雜度用MAD表示。常用的復(fù)雜度 表示方式還有SATD、Sobel算子等，而梯度表示復(fù)雜度的方式因為計算比較簡單而被廣泛 應(yīng)用。因此，通過改善LCU層梯度復(fù)雜度的計算方式使每個LCU實際編碼比特盡量準(zhǔn)確也 是本發(fā)明方法的一個重要特點。由于視頻序列的帖間相似性，本發(fā)明方法將梯度的計算擴 展到了帖間：對于I帖，直接采用帖內(nèi)梯度表示復(fù)雜度，對于非I帖，獲取帖內(nèi)梯度和帖間梯 度，采用二者較小值表示復(fù)雜度。
[0030] 與標(biāo)準(zhǔn)的肥V