CN101094409B

CN101094409B - 用于在可变比特率视频编码中控制比特率的装置和方法

Info

Publication number: CN101094409B
Application number: CN2007101379551A
Authority: CN
Inventors: 李政佑
Original assignee: Seoul National University Industry University Cooperation Foundation; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Seoul National University Industry University Cooperation Foundation; Samsung Electronics Co Ltd; Seoul National University Industry Foundation
Priority date: 2006-03-25
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: US20070237223A1; CN101094409A; US8085679B2; KR20070096537A; KR100790986B1

Abstract

一种比特率控制方法，可以包括计算当前帧的质量度量和两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算所述当前帧的质量度量与所述两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差；比较所述偏差与临界值度量；以及，响应于所述比较结果控制量化参数。一种比特率控制装置，可以包括：质量度量计算器，其计算所述当前帧的质量度量和所述两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算所述偏差；比较器，其比较所述偏差与所述临界值度量；以及，量化参数设置单元，其响应于所述比较结果控制所述量化参数。

Description

用于在可变比特率视频编码中控制比特率的装置和方法

优先权声明

本申请要求2006年3月25日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请号10-2006-0027206的优先权，在这里通过参考合并其全部内容。

技术领域

示例实施例涉及可变比特率视频编码。此外，示例实施例涉及用于在可变比特率视频编码中通过使用为每个帧计算的度量(measure)设置每个帧的量化参数来控制比特率的方法以及装置。

背景技术

通常，视频压缩(或者编码)技术使用恒定比特率(CBR)编码方法或者可变比特率(VBR)编码方法。恒定比特率编码方法将诸如广播信号之类的视频信号编码为用于预定时间段的预定比特数。恒定比特率编码方法给静止图像和运动图像两者都分配相同的比特数。从而，在恒定比特率编码方法中，运动图像的质量是劣质的，因为运动图像需要为其分配大量比特。

当有足够的带宽或者当使用诸如数字视频盘(DVD)之类的存储介质时，可变比特率编码方法响应于视频信号的特性(例如，响应于视频信号是对应于静止图像还是运动图像)而分配比特给视频信号。可变比特率编码方法可以分配大量比特给运动图像以便它与恒定比特率编码方法相比可以改善运动图像的质量。相应地，可变比特率编码方法被用于运动图像专家组(MPEG)-4和H.264，其被应用于下一代DVD记录器，以及被用于MPEG-2，其被应用于目前使用的DVD记录器。

可变比特率编码方法响应于视频信号的特性分配比特(bits)给视频信号(也就是，它变化比特率)，并且，因此控制比特率很重要。代表性的控制比特率的方法是在MPEG-2中使用的TM5算法。必须基于画面类型而分配不同比特率给帧内编码(intra-coded)画面帧(I-帧)、预测编码画面帧(P-帧)以及双向预测编码画面帧(B-帧)，以便控制比特率。然而，分配固定比特率给I-、P-和B-帧，并且因此所述I-、P-和B-帧的图像质量可能会恶化。相应地，为了基于图像帧的类型最小化在图像质量方面的变化，需要响应于输入图像的类型来控制向I-、P-和B-帧分配比特。

发明内容

示例实施例提供了一种在可变比特率视频编码中通过使用为每个帧计算的度量设置每个帧的量化参数而控制比特率的方法。

示例实施例还提供了一种用于在可变比特率视频编码中通过使用为每个帧计算的度量设置每个帧的量化参数而控制比特率的装置。

根据示例实施例，比特率控制方法可以包括：计算当前帧的质量度量和两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算当前帧的质量度量与两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差；比较所述偏差与临界值度量(其可以或可以不必是预定的)；和/或响应于所述比较的结果控制量化参数。

量化参数的控制可以包括当所述偏差的绝对值大于所述临界值度量时重置量化参数，和/或当所述偏差的绝对值小于或等于所述临界值度量时保持量化参数。此外，所述量化参数的控制可以包括当所述偏差的绝对值大于或等于所述临界值度量时重置量化参数，和/或当所述偏差的绝对值小于所述临界值度量时保持所述量化参数。

例如，质量度量可以是图像质量度量。在至少这种情况下，量化参数的重置可以包括当偏差大于(或大于或等于)临界值度量时重置量化参数以增加量化标度，和/或当偏差小于(或小于或等于)临界值度量的负值时重置所述量化参数以减少量化标度。

例如，质量度量可以是失真度量。至少在这种情况下，量化参数的重置可以包括当偏差大于(或大于或等于)临界值度量时重置量化参数以减少量化标度，和/或当偏差小于(或小于或等于)临界值度量的负值时重置量化参数以增加量化标度。

根据其他的示例实施例，比特率控制装置可以包括质量度量计算器、比较器和/或量化参数设置单元。质量度量计算器可以计算当前帧的质量度量和两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算当前帧的质量度量与两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差。比较器可以比较偏差与临界值度量(其可以或可以不必是预定的)。量化参数设置单元可以响应于所述比较结果控制量化参数。

量化参数设置单元可以在所述偏差的绝对值大于临界值度量时重置量化参数，和/或可以在所述偏差的绝对值小于或等于临界值度量时保持所述量化参数。此外，量化参数设置单元可以在所述偏差的绝对值大于或等于临界值度量时重置量化参数，和/或可以在所述偏差的绝对值小于所述临界值度量时保持所述量化参数。

例如，质量度量可以是画面质量度量。至少在这种情况下，量化参数设置单元可以在偏差大于(或大于或等于)临界值度量时重置量化参数以增加量化标度，和/或可以在偏差小于(或小于或等于)临界值度量的负值时重置量化参数以减少量化标度。

例如，质量度量可以是失真度量。至少在这种情况下，量化参数设置单元可以在偏差大于(或大于或等于)临界值度量时重置量化参数以减少量化标度，和/或可以在偏差小于(或小于或等于)临界值度量的负值时重置量化参数以增加量化标度。

附图说明

根据结合附图的示例实施例的以下详细说明，以上和/或其他方面和优点将会变得更加显而易见并且更加容易理解，其中：

图1是使用可变比特率的传统视频编码装置的方框图；

图2是根据一示例实施例的包括比特率控制器的视频编码装置的方框图；

图3是根据一示例实施例的比特率控制器的方框图；

图4是根据一示例实施例的比特率控制方法的流程图；以及

图5是根据一示例实施例的重置量化参数的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更加完全地描述示例实施例。然而，实施例可以以许多不同的形式体现并且不应该被理解为限于在这里阐明的示例实施例。更确切地，提供这些示例实施例以便本公开将是彻底和完整的，并且将会完全地向本领域技术人员传达所述范围。在图中，为了清楚起见可能会放大层的厚度和区域。

将理解的是，当相对于另一组件而将元件称为为“在...上”、“连接到”或“耦接到”时，它可能直接地在该另一组件上、连接到或耦接到该另一组件或者可能给出居间组件。相反地，当将组件称为是“直接地在...上”、“直接地连接到”或者“直接地耦接到”另一组件时，不存在居间组件。如同在这里使用的那样，术语“和/或”包含一个或多个所述相关罗列项的任何与所有组合。

将理解的是，尽管可能在这里使用术语第一、第二、第三等等来描述各个元件、组件、区域、层和/或部件，但是这些元件、组件、区域、层、和/或部件不应由这些术语所限制。仅使用这些术语来将一元件、组件、区域、层和/或部件与另一元件、组件、区域、层和/或部件区分开。例如，第一元件、组件、区域、层和/或部件可以被称为第二元件、组件、区域、层和/或部件，而不脱离示例实施例的示教。

为了便于描述，可以在这里使用空间相对术语，诸如“在...之下”、“在...下面”、“较低”、“在...之上”、“较高”等等，来描述一个组件和/或特征对于另一组件和/或特征、或对于其他多个组件和/或多个特征，就像在附图中所描述的那样。将会理解，除在图中描述的方位之外，所述空间相对术语还意欲包括设备在使用中或操作中的不同方位。

在这里使用的术语学仅是为了描述具体示例实施例的目的而不是意欲限制。正如在此使用的那样，单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“所述(the)”也意欲包含复数形式，否则除非上下文清楚地指明。将会更进一步地理解，当在本说明书中使用术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含(including)”指定所规定的特征、整体(integers)、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在或增加。

否则除非明确定义，在这里使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有相同的含义，就像通常由示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的那样。将会更进一步地理解，应该将诸如在通常使用的字典中定义的那些术语之类的术语解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应该以理想化或过度形式的含义来解释，除非在这里非常明确地定义。

现在将参考示例实施例，其在附图中被图示，其中相同的附图标记始终指的是相同的组件。

尽管将说明根据MPEG标准的可变比特率视频编码的示例，但本领域普通技术人员将会理解所述示例实施例可以被应用于使用可变比特率的任何情况。

图1是使用可变比特率的传统视频编码装置100的方框图。该视频编码装置100包含离散余弦变换单元110、量化器120、可变长度编码器130、缓冲器140、速率控制器(rate controller)150、逆量化器160、逆离散余弦变换单元170、以及运动估计和补偿单元180。

视频编码装置100使用运动估计和补偿。并且响应于帧类型(I-、P-或B-帧)执行运动估计和补偿。这将会参考图1详细说明。

离散余弦变换单元110将输入视频信号VIN转换为关于I-帧的离散余弦变换(DCT)。离散余弦变换单元110将在运动估计和补偿单元180的输出信号与输入视频信号VIN之间的差值转换为关于P-帧或B-帧的DCT。

量化器120响应于由速率控制器150控制的量化标度Q，量化来自离散余弦变换单元110的DCT系数输出。可变长度编码器130对已量化的DCT系数进行可变长度编码。缓冲器140存储已可变长度编码的数据并作为比特流BIT_STREAM输出它。响应于缓冲器“充满度”，通过速率控制器150控制量化标度Q，其中所述“充满度”表示缓冲器140填充数据的程度。例如，可以如下计算所述量化标度Q：

Q = 31 \frac{d_{j}}{r} K_{i}

这里，r＝2×(比特速率/帧速率)，K_i表示量化参数，并且i代表I、P或B。此外，d_j表示例如可以计算如下的缓冲器充满度。

d_{j} = d_{0} + B_{j - 1} - \frac{(j - 1)}{N_{mb}} T

这里，d₀表示初始缓冲器内容，B_j-1表示实际上从第一宏块到第(j-1)宏块产生的比特数目，N_mb表示每帧的宏块数目，以及T表示当前帧的目标比特分配。

如上所述，速率控制器150响应于缓冲器充满度和目标比特分配来控制量化标度Q，然而它不能响应于帧类型来调整比特率。此外，可变比特率视频编码可以不必具有帧比特分配处理。相应地，示例实施例可以使用直接改变量化标度的方法，而不是在可变比特率视频编码中对每个帧控制比特分配的方法。

此外，示例实施例根据帧类型通过使用如下方法控制比特率而可以防止画面质量变化，例如所述方法包含：在编码每个帧后，计算帧的质量度量和/或两个或更多先前帧的质量度量的平均值；计算所述质量度量与所述质量度量的平均值之间的偏差；比较所述偏差和临界值度量；和/或响应于所述比较结果控制量化参数。

这里，例如，质量度量可以是画面质量度量和/或失真度量，其中可以使用帧的峰值信噪比(PSNT)获得所述画面质量度量，可以使用均方误差(MSE)获得所述失真度量。

图2是根据示例实施例的包含比特率控制器290的视频编码装置200的方框图。与在图1中图示的视频编码装置100相比，该可变比特率视频编码装置200可以包含比特率控制器290，以及离散余弦变换单元210、量化器220、可变长度编码器230、缓冲器240、速率控制器250、逆量化器260、逆离散余弦变换单元270、和/或运动估计和补偿单元280。

比特率控制器290可以响应于当前帧的质量度量与两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差控制量化参数。相应地，例如，可以通过比特率控制器290的输出信号以及速率控制器250的输出信号来控制在量化器220中使用的量化标度。

现在将参考图3和4详细说明比特率控制器290。图3是根据一示例实施例的比特率控制器290的方框图，而图4是根据一示例实施例的比特率控制方法的流程图。

比特率控制器290可以包含质量度量计算器291、比较器293和/或量化参数设置单元295。当开始图像的编码时，可以在操作S401中初始化比特率控制器290以编码所述图像的每个帧。在结束每个帧的编码之后，质量度量计算器291可以计算每个帧的质量度量ρ_n和/或两个或更多先前帧的质量度量的平均值M_n。先前帧的数目N可以大于或等于2。例如，N可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或更多。先前帧的数目N可以或也可以不是固定的。例如，它可以随当前帧的下标n而变化和/或可以随当前帧的类型(I-、P-或B-)而变化。

当当前帧的下标为n时，在操作S403中，质量度量计算器291可以在已经编码当前帧之后计算当前帧的质量度量ρ_n和/或可以计算两个或更多先前帧的质量度量的平均值M_n。例如，可以如下计算两个或更多先前帧的质量度量的平均值M_n。

M_{n} = \frac{1}{N} Σ_{l = n - N}^{n - 1} ρ_{n}

在计算当前帧的质量度量ρ_n和/或两个或更多先前帧的质量度量的平均值M_n之后，质量度量计算器291可以计算质量度量ρ_n与两个或更多先前帧的质量度量的平均值M_n之间的偏差D_n。例如，偏差D_n可以计算如下。

D_n＝ρ_n-M_n

比较器293可以在操作S405中比较偏差D_n和可以预定也可以不预定的临界值度量τ，以确定是否应该重置量化参数。当偏差D_n很大时，可以确定在画面质量方面的变化很大。在另一方面，当偏差D_n很小时，可以确定在画面质量方面的变化很小。相应地，在操作S409中，当偏差D_n的绝对值小于或等于(或小于)临界值度量τ时，比较器293可以确定应该保持量化参数。在操作S407中，当偏差D_n的绝对值大于(或大于或等于)临界值度量τ时，比较器293可以确定应该重置量化参数。这里，可以根据图像和/或捕获图像的环境的(多个)特性通过一个或更多方法来确定临界值度量τ。

在操作S411中，质量度量计算器291可以确定是否已经输入图像的所有帧，以便确定是否已经控制所有帧。当没有控制所有帧时，可以在操作S413中接收下一帧，可以对该下一帧进行编码，并可以通过经历如前所述的操作S403至S41而经受比特率控制处理。当已经控制所有帧时，可以结束该比特率控制操作。

图5是根据一示例实施例的重置量化参数K_i的流程图。尽管在示例实施例中质量度量可以是例如画面质量度量和/或失真度量，但图5图示了在画面质量度量的情况下重置量化参数K_i的步骤。

当偏差D_n的绝对值大于(或大于或等于)临界值度量τ时，量化参数设置单元295可以重置量化参数K_i。量化参数设置单元295可以对两种情况不同地重置量化参数：偏差D_n大于(或大于或等于)临界值度量τ的情况；和/或偏差D_n小于(或小于或等于)临界值度量τ的负值的情况。

当偏差D_n大于(或大于或等于)临界值度量τ时(操作S501)，当前帧的画面质量可以比平均画面质量更好。因此，在操作S503中，量化参数设置单元295可以例如使用以下等式重置量化参数K_i以便增加量化标度Q。

K_i＝K_i+α_i，其中i＝I、P、B

也就是说，通过将量化参数K_i增加一可以或可以不是预定的量，量化标度可以变得更大。例如，α_i可以大于0和/或小于或等于1。在示例实施例中，α_i可以大于或等于1/8并且小于或等于1/4。

当偏差D_n小于(或小于或等于)临界值度量τ的负值时(操作S505)，当前帧的画面质量可劣于平均图像质量。因此，在操作S507中，量化参数设置单元295可以例如使用以下等式来重置量化参数K_i以便减少量化标度Q。

K_i＝K_i-α_i，其中i＝I、P、B

也就是说，通过将量化参数K_i减少一可以预定或可以不预定的量，量化标度可变得更小。

当质量度量对应于失真度量时，可以使用类似于以上处理的处理重置量化参数。也就是说，当偏差D_n大于(或大于或等于)临界值度量τ时，当前帧的失真可能比平均失真更严重。因此，量化参数设置单元295可以例如使用以下等式重置量化参数K_i以便减少量化标度Q。

K_i＝K_i-α_i，其中i＝I、P、B

也就是说，通过将量化参数K_i减少一可以预定或可以必预定的量，量化标度可变得更小。

当偏差D_n小于(或小于或等于)临界值度量τ的负值时，当前帧的失真会比平均失真较不严重。因此，量化参数设置单元295可以例如使用以下等式重置量化参数K_i以便增加量化标度Q。

K_i＝K_i+α_i，其中i＝I、P、B

也就是说，通过将量化参数K_i增加一可以或可以不必预定的量，量化标度可变得更大。

本领域普通技术人员将会理解，根据示例实施例的比特率控制器可以施加到采用可变比特率的任何视频编码装置，和/或根据示例实施例的比特率控制方法可以施加到采用可变比特率的任何视频编码方法。例如，所述视频编码方法可以是MPEG-2、MPEG-4和H.264之一。

如上所述，根据示例实施例的比特率控制方法在可变比特率视频编码中基于帧类型可以防止可能发生的图像质量变化。

虽然已经具体地示出并描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将会理解，在其中可以做出形式和细节方面的各种变化，而不脱离如以下权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种比特率控制方法，包括：

计算当前帧的质量度量和两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算当前帧的质量度量与两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差；

比较所述偏差与临界值度量；以及

响应于所述比较结果，通过控制量化参数K来控制量化标度Q，

其中所述量化标度Q被计算为：

Q = 31 \frac{d_{j}}{r} K_{i}

其中，r＝2×(比特速率/帧速率)，K_i表示量化参数，并且i代表I、P或B帧，d_j表示缓冲器充满度，充满度表示缓冲器填充数据的程度。

2.根据权利要求1的方法，其中所述控制量化参数的步骤包括：

当所述偏差的绝对值大于所述临界值度量时，重置所述量化参数；以及

当所述偏差的绝对值小于或等于所述临界值度量时，保持所述量化参数。

3.根据权利要求2的方法，其中所述质量度量是画面质量度量。

4.根据权利要求3的方法，其中所述重置量化参数的步骤包括：

当所述偏差大于所述临界值度量时，重置所述量化参数以增加量化标度；以及

当所述偏差小于所述临界值度量的负值时，重置所述量化参数以减少所述量化标度。

5.根据权利要求2的方法，其中所述质量度量是失真度量。

6.根据权利要求5中的的方法，其中所述重置量化参数的步骤包括：

当所述偏差大于所述临界值度量时，重置所述量化参数以减少量化标度；以及

当所述偏差小于所述临界值度量的负值时，重置所述量化参数以增加所述量化标度。

7.根据权利要求1的方法，其中所述控制量化参数的步骤包括：

当所述偏差的绝对值大于或等于所述临界值度量时，重置所述量化参数；以及

当所述偏差的绝对值小于临界值度量时，保持所述量化参数。

8.根据权利要求7的方法，其中所述重置量化参数的步骤包括：

当所述偏差大于或等于所述临界值度量时，重置所述量化参数以增加量化标度；以及

当所述偏差小于或等于临界值度量的负值时，重置所述量化参数以减少所述量化标度。

9.根据权利要求7的方法，其中所述重置量化参数的步骤包括：

当所述偏差大于或等于所述临界值度量时，重置所述量化参数以减少量化标度；以及

当所述偏差小于或等于所述临界值度量的负值时，重置所述量化参数以增加所述量化标度。

10.一种使用权利要求1中的比特率控制方法的可变比特率视频编码方法。

11.根据权利要求10的编码方法，其中通过MPEG-2、MPEG-4或H.264执行视频编码。

12.一种比特率控制装置，包括：

质量度量计算器，其计算当前帧的质量度量、和两个或更多先前帧的质量度量的平均值，以便计算所述当前帧的质量度量与两个或更多先前帧的质量度量的平均值之间的偏差；

比较器，其比较所述偏差和临界值度量；以及

量化参数设置单元，其响应于所述比较结果，通过控制控制量化参数K来控制量化标度Q，

其中所述量化标度Q被计算为：

Q = 31 \frac{d_{j}}{r} K_{i}

13.根据权利要求12的装置，其中所述量化参数设置单元：

14.根据权利要求13的装置，其中所述质量度量是画面质量度量。

15.根据权利要求14的装置，其中所述量化参数设置单元：

16.根据权利要求13的装置，其中所述质量度量是失真度量。

17.根据权利要求16的装置，其中所述量化参数设置单元：

18.根据权利要求12的装置，其中所述量化参数设置单元：

当所述偏差的绝对值小于所述临界值度量时，保持所述量化参数。

19.根据权利要求18的装置，其中所述量化参数设置单元：

当所述偏差小于或等于所述临界值度量的负值时，重置所述量化参数以减少所述量化标度。

20.根据权利要求18的装置，其中所述量化参数设置单元：

21.一种使用权利要求12中的比特率控制装置的可变比特率视频编码装置。

22.根据权利要求21的编码装置，其中通过MPEG-2、MPEG-4、或H.264执行视频编码。