CN101325698B - 仅帧内视频序列编码的比特率控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种比特率控制方法与装置，用来通过仅利用帧内画面进行视频序列编码。该比特率控制方法包括：将仅由帧内画面形成的视频序列分割为画面组单元、切片单元、以及宏块单元；并且进行比特率控制，从而当进行编码时可以生成预定量的比特。根据该方法与装置，可以防止缓冲器的下溢与上溢。

Description

仅帧内视频序列编码的比特率控制方法与装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年6月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0056761号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

符合本发明的方法与装置涉及控制比特率，更具体地，涉及对于通过仅使用帧内画面的视频序列编码的比特率控制。

背景技术

在联合视频组(JVT)正在进行标准化的H.264高4∶4∶4简档(high 4∶4∶4profile)中，单独定义了高4∶4∶4仅帧内简档(high 4∶4∶4intra-onlyprofile)，由此规定了编码具有帧内画面的视频序列中所有画面的方法。仅帧内编码可以用于以下应用领域，该领域要求对于或高于高清(HD)水平的高解晰度高品质图像，例如医疗应用、图像编辑系统、以及特定摄像机。要求低延迟与低等待时间的实时视频传送系统也是仅帧内编码的应用领域之一。

在实时视频传送系统中，比特率控制(速率控制)非常重要。因为实时视频传送系统要求低延迟与低等待时间，所以生成具有固定速度的比特流是必须的，并且难于应用要求至少延迟一帧的帧间编码。因为通过仅调整视频序列的编码参数不能满足固定比特率条件，所以应该准备临时存储比特流以生成固定比特率的缓冲器，从而可以调整比特率。为了满足低等待时间条件，应该限制用来存储比特流的缓冲器的大小。相应地，可能发生缓冲器下溢与上溢的概率会增加。

根据相关技术比特率控制方法，如果发生上溢，则增加量化参数，或者跳过宏块或者帧单元，由此调整比特率。如果发生下溢，则减少量化参数，或者在缓冲器控制单元中插入空分组，由此调整比特率。相应地，如果发生上溢，则图像品质下降，并且如果发生下溢，则浪费信道容量。具体地，在仅帧内编码中，不可能跳过宏块或者帧单元，并且可以通过仅调整量化参数来解决上溢。

大部分相关技术固定比特率控制方法的执行都假定视频序列由帧内画面与帧间画面形成。

根据相关技术固定比特率控制方法，如果以序列单位设置目标比特率，则为每个画面组(GOP)单位分配目标比特量。此处，GOP指由一个帧内画面(I画面)以及多个帧间(预测P)画面或者B(双向预测)画面形成的画面集合。

图1为显示相关技术GOP 10的例子的图示。参照图1，GOP 10包括一个I画面I0，两个P画面P3与P6，以及六个B画面B1、B2、B3、B4、B5、B7、与B8。通过考虑画面的类型以及画面的复杂度，将分配给GOP单元的预定量的比特分布给GOP 10内的各个画面。通过考虑分配给I画面I0、两个P画面P3与P6、以及六个B画面B1、B2、B3、B4、B5、B7、与B8每个画面的目标比特量、实际发生的比特量、以及缓冲器充实度，确定每个宏块单元的最终量化参数，由此进行比特率控制。

但是，因为相关技术固定比特率控制方法假设在GOP中存在P画面、B画面、以及I画面，所以难于对仅帧内编码应用相关技术固定比特率控制方法。另外，相关技术固定比特率控制方法难于生成对每个宏块单元都具有固定比特率的比特率，并且因此很可能会发生下溢或上溢。

发明内容

本发明提供了一种比特率控制方法与装置，通过该方法与装置，当仅使用帧内画面编码视频序列时，生成具有固定比特率的比特流，由此防止比特率缓冲器的下溢与上溢。

根据本发明的一方面，提供了一种当编码仅由帧内画面形成的视频序列时控制比特率的方法，该方法包括以下步骤：将帧内画面划分为预定画面组，并且确定每个画面组的目标比特量；将在每个画面组中包含的帧内画面划分为切片，并且根据切片所属的画面组的目标比特量，确定每个切片的目标比特量；根据切片的目标比特量，确定在切片中包含的宏块的目标比特量；以及通过考虑宏块的所确定的目标比特量、至前一宏块的所生成的比特量、以及缓冲器充实度，计算要编码的当前宏块的量化参数。

所述将帧内画面划分为预定画面组可以包括：如果帧内画面为其中每一个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则划分该帧内画面，使得每一个画面组可以都包括相同数目的帧内画面。

所述将帧内画面划分为预定画面组还可以包括：如果帧内画面为其中每一个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则参照其中场景改变的帧内画面来划分帧内画面。

所述将帧内画面划分为预定画面组还可以包括：如果帧内画面为其中每一个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则划分帧内画面，使得一个画面组中具有一个颜色分量图像的帧内画面的数目与具有任意其他颜色分量图像的帧内画面的数目相同。

所述将帧内画面划分为预定画面组还可以包括：如果帧内画面为其中每一个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则划分帧内画面，使得一个画面组包括从所述多个颜色分量图像中选择的仅一个颜色分量的图像的帧内画面。

所述确定每个画面组的目标比特量可以包括：利用以下公式计算当前编码的宏块所属的第i个画面组的目标比特量R_GOP(i)：

$R_{\mathrm{GOP}}\left(i\right)=R_{\mathrm{GOP}}(i-1)+k*\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}}$

其中，R_GOP(i)为当前编码的宏块所属的第i个画面组(i≥0)的目标比特量，R_GOP(i-1)为分配给当前第i个画面组之前的第(i-1)个画面组的目标比特量，R_GOP(-1)＝0，k为在第i个画面组中包含的帧内画面的总数，bit_rate为每秒生成的比特量，picture_rate为每秒生成的帧内画面的数目。

所述确定每个切片的目标比特量还可以包括：

利用以下公式计算分配给当前切片的比特量：

$T_{\mathrm{slice}}(i,j)=\max (T_{\mathrm{slice}}^{\min },\frac{R_{\mathrm{GOP}}(i,j)}{N_{\mathrm{Slice}}(i,j)})$

其中，R_GOP(i，j)为在编码第j个切片时、来自分配给第i个画面组的比特量中的可以使用的比特量，N_Slice(i，j)为在编码第i个画面组的第j个切片时第i个画面组中没有编码的切片的数目，T_Slice ^min为应该分配给切片的比特量的最小值，T_slice(i，j)为分配给对应于第i个画面组的第j个切片的当前切片的比特量。

所述确定宏块的目标比特量可以包括：利用以下公式计算当前宏块的目标比特量：

$T_{\mathrm{MB}}(i,j)=\frac{T_{\mathrm{Slice}}(i,j)}{n_{\mathrm{Slice}}}$

其中，T_MB(i，j)为第i个画面组的第j个切片上的当前宏块的目标比特量，n_slice为在切片时包括的宏块的数目。

所述确定当前宏块的量化参数可以包括：

通过考虑缓冲器充实度、宏块单元的目标比特量、以及至前一宏块的所生成的比特量，计算用于编码当前宏块的量化参数；

比较缓冲器充实度与预定参考值，并且根据缓冲器充实度的大小，确定是否发生缓冲器上溢或者下溢，并且生成用来校准量化参数的校准值；并且通过将该校准值加到所计算的量化参数，计算校准的量化参数。

根据本发明的另一方面，提供了一种当编码仅由帧内画面形成的视频序列时控制比特率的装置，该装置包括：缓冲器，其临时存储所的比特流；用于画面组单元的目标比特量确定单元，其将帧内画面划分为预定画面组，并且确定每个画面组的目标比特量；用于切片单元的目标比特量确定单元，其将在每个画面组中包含的帧内画面划分为切片，并且根据切片所属的画面组的目标比特量，确定每个切片的目标比特量；用于宏块单元的目标比特量确定单元，其根据切片的目标比特量，确定在切片中包含的宏块的目标比特量；以及比特率调整单元，其通过考虑缓冲器充实度、宏块单元的所确定的目标比特量、以及至前一宏块的所生成的比特量，确定用来编码当前宏块的量化参数，并且当编码当前宏块时，通过比较缓冲器充实度的大小与预定参考值，根据缓冲器充实度生成校准值，并且通过将所生成的校准值加到所述量化参数，生成并且输出校准的量化参数；以及编码单元，其根据校准的量化参数量化当前宏块，并且生成比特流。

附图说明

通过参照附图的对本发明示范性实施例的详细描述，将更清楚本发明的以上和其他特征，其中：

图1为显示相关技术GOP的例子的图示；

图2为显示根据本发明示范性实施例的控制比特率的方法的简化流程图；

图3为显示根据本发明示范性实施例的控制比特率的方法的详细流程图；

图4A与图4B为用来解释根据本发明示范性实施例的、当以公共模式进行编码时、将帧内画面划分为画面组的方法的图示；

图5A与图5B为用来解释根据本发明示范性实施例的、当以独立模式进行编码时、生成画面组的方法的图示；

图6为显示根据本发明示范性实施例的、包含在一个画面组中的k个公共模式帧内画面被划分为切片的情况的图示；

图7为显示根据本发明示范性实施例的、比特率控制装置的结构的方框图；

图8为显示根据本发明示范性实施例的、图7所示装置的目标比特量确定单元的结构的方框图。

具体实施方式

现在将参照其中显示本发明示范性实施例的附图更全面地描述本发明。

图2为显示根据本发明示范性实施例的控制比特率的方法的简化流程图。

根据本发明示范性实施例的比特率控制方法具有分层结构，用来当编码仅由帧内画面形成的视频序列时，以画面组单位(GOPs)(此后称为“画面组”)进行比特率控制，以切片单位进行比特率控制，以及以宏块单位进行比特率控制。

参照图2，在操作210中，仅由帧内画面形成的输入视频序列被划分为画面组，并且设置要分配给每个画面组的目标比特量，由此对每个画面组单元进行比特率控制。具体地，本发明的示范性实施例提出一种方法，其相对于帧内画面类型生成画面组，以控制仅由帧内画面形成的输入视频序列的比特率。以后将解释将仅由帧内画面形成的视频序列划分为画面组的方法。

在操作220中，将在通过所述划分获得的画面组中包含的帧内画面划分为切片单元。然后，根据当前切片所属的画面组的目标比特量，以及该画面组中切片的总数，为每个切片单元分配目标比特量。如果完成了对在当前切片中包含的所有宏块的编码，则更新关于比特率控制的变量的值，以编码下一切片，由此对每个切片单元进行比特率控制。

在操作220中，向在切片中包含的每个宏块分配目标比特量，并且通过考虑当前宏块的所分配的目标比特量、至前一宏块所发生的比特量、以及缓冲器充实度，来计算当前宏块的量化参数。同时，根据当编码当前宏块时的缓冲器的状态，校准量化参数，由此确定校准的量化参数。根据校准的量化参数，编码当前宏块，由此对每个宏块单元进行比特率控制。

图3为显示根据本发明示范性实施例的控制比特率的方法的详细流程图。

参照图3，在操作310中，将在输入视频序列中包含的帧内画面划分为画面组，并且确定每个画面组的目标比特量。

根据相关技术，当将包含多个帧间画面、即P画面与B画面的视频序列划分为画面组时，参照帧内(I)画面划分视频序列，由此生成画面组。例如，当输入诸如IBBPBBPIBBPBBP...的视频序列时，参照I画面划分视频序列，并且生成每个画面组为{IBBPBBP}。但是，当将仅由帧内画面形成的视频序列划分为画面组时，无法根据相关技术参照I画面生成画面组，这是因为视频序列中的所有画面都是帧内画面。因此，根据仅帧内视频编码模式，即公共模式或者独立模式，本发明的示范性实施例如下地将帧内画面划分为画面组。

图4A与图4B为用来解释根据本发明示范性实施例的、当以公共模式编码进行编码时、将帧内画面划分为画面组的方法的图示。要利用公共模式进行编码的帧内画面(此后称为“公共模式帧内画面”)指包含图像的所有颜色分量的帧内画面。例如，当图像具有三个颜色分量(例如R、G、B颜色分量)时，帧内画面的一个像素具有三个颜色分量值R、G、B。

参照图4A，可以划分帧内画面使得画面组41与42可以具有相同的预定量的帧内画面。图4A显示每个画面组41与42具有五个帧内画面的情况。可以将在每个画面组41与42中包含的帧内画面的数目做得使得对于预定时间可以维持该帧内画面的数目，并且然后根据画面特性的改变，可以改变该数目。例如，可以生成画面组，使得到任意第n个画面组(n为正整数)的每个画面组可以具有k个帧内画面(k为正整数)，并且从第(n+1)个画面组开始，每个画面组可以具有m个帧内画面(m为正整数，m≠k)。

另外，从公共模式帧内画面中的输入帧内画面，检测其中发生场景变化的帧内画面，并且可以参照所检测的场景变化帧内画面划分帧内画面，由此生成画面组。参照图4B，如果在画面I3与I8中发生场景变化，则可以参照其中发生场景变化的画面I3与I8生成画面组。如图4B所示，当参照其中发生场景变化的帧内画面生成画面组时，属于每个画面组的帧内画面的数目可能变化。

图5A与图5B为用来解释根据本发明示范性实施例的、当以独立模式进行编码时、生成画面组的方法的图示。参照图5A与图5B，I_G，t指示任意时间t处仅由G颜色分量像素形成的帧内画面，I_B，t指示任意时间t处仅由B颜色分量像素形成的帧内画面，并且I_R，t指示任意时间t处仅由R颜色分量像素形成的帧内画面。

要利用独立模式编码来编码的帧内画面(此后称为“独立模式帧内画面”)指包含仅一个颜色分量的像素的帧内画面。即，独立模式帧内画面对应于每个颜色分量图像形成一个独立帧内画面的情况。独立模式帧内画面可以用于具有三个任意颜色分量的任意颜色空间信号的图像，但是为了解释方便，主要将解释一个帧内画面仅有R、G、B颜色分量中的一个颜色分量的情况。在这种情况下，画面组可以定义为画面集合，包括K_G个I_G画面、K_B个I_B画面、以及K_R个I_R画面。此处，I_G、I_B、以及I_R分别指示由G颜色分量像素、B颜色分量像素、以及R颜色分量像素形成的帧内画面。每个变量K_G、K_B、以及K_R表示相应颜色分量画面的数目，并且为等于或大于0的整数，并且应该总是满足公式K_G+K_B+K_R≠0。即，在一个画面组中，应该包含至少一个颜色分量的帧内画面。

图5A显示具有一个颜色分量的帧内画面的数目与具有任一其他颜色分量的帧内画面的数目相同的情况。即，在图5A所示的画面组51中，包含了仅由每个颜色分量R、G、B形成的k个独立模式帧内画面。图5B显示生成画面组使得在画面组52、53、以及54中可以包含仅有一个颜色分量的帧内画面的情况。

当在每个颜色分量图像中的纹理信息或者复杂度类似时，有利的是允许每个画面组包含相同数目的具有不同颜色分量图像的帧内画面。但是，当预定颜色分量图像的复杂度为高或者噪声水平为高时，在比特率方面效率更高的是独立地编码每个颜色分量图像，如图5B所示。

如上所述，如果通过根据帧内画面的模式将形成当前输入视频序列的帧内画面划分为画面组来生成画面组，则可以计算为要分配给每个画面组的比特量的目标比特量。在公共模式帧内画面的情况下，可以利用以下公式1计算分配给任意第i个画面组(i≥0)的目标比特量(R_GOP(i))：

$R_{\mathrm{GOP}}\left(i\right)=R_{\mathrm{GOP}}(i-1)+k*\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}}$ .............(公式1)

此处，R_GOP(i-1)指示分配给当前第i个画面组之前的第(i-1)个画面组的目标比特量，其中假定R_GOP(-1)＝0，k为在第i个画面组中包含的帧内画面的总数，bit_rate为每秒生成的比特量，picture_rate为每秒生成的帧内画面的数目。

在独立模式帧内画面的情况下，可以利用以下公式2计算分配给任意第i个画面组(i≥0)的目标比特量(R_GOP(i))：

$R_{\mathrm{GOP}}\left(i\right)=R_{\mathrm{GOP}}(i-1)+(k_G+k_B+k_R)*\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}}$ (公式2)

再次参照图3，在操作320，将在画面组中包含的帧内画面划分为切片单元，并且根据画面组的目标比特量，确定在画面组中包含的切片的目标比特量。

根据相关技术比特率控制方法，控制每个画面组的比特率，通过向每个画面单元分配目标比特量，再次进行比特率控制，并且以宏块为单位再次进行比特率控制。但是，根据本发明示范性实施例的比特率控制方法，以画面组单位进行比特率控制，然后不是以画面单位进行比特率控制，而是以切片单位进行比特率控制。当根据相关技术对于具有极大量数据的图像(例如HD级图像)以画面单位进行比特率控制时，在画面的第一半部中会消耗比目标比特量大的比特量，并且这会造成可以用于画面的第二半部中的比特量的短缺。相应地，会分配小于目标比特量的比特量，并且会降低画面质量。另外，如果在画面的第一半部中消耗小量比特，则会向画面的第二半部的图像数据分配太多比特，以调整画面的第二半部的比特率，并且由此无法高效利用带宽。换言之，因为根据相关技术难于均匀地维持画面质量以及所生成的比特量，所以即使当为每个画面单元分配比特量时，也会发生问题，除非以小于画面单位的单位适当地调整目标比特量。相应地，当编码包含大量数据的图像(例如高清晰图像)时，可以向小于画面单位的单位分配目标比特量。根据本发明的示范性实施例，如果以画面组单位分配目标比特量，则向在每个画面组的每个帧内画面中包含的多个切片单元的每一个分配目标比特量，并且作为结果，也向每个画面单元分配均匀量的比特。根据本发明的示范性实施例，切片为对其进行比特率控制的多个参考单位之一。在公共模式帧内画面的情况下，切片定义为由邻近n_slice个宏块形成的宏块组。此处，n_slice应该满足以下公式3：

1≤n_slice≤n_picand(n_picmodn_slice)＝0  ........(公式3)

此处，，n_pic为在一个帧内画面中包含的宏块的总数，mod指示求模运算。切片可以仅由一个宏块形成，并且整个画面可以仅由一个切片形成。例如，图6显示根据本发明示范性实施例的、包含在一个画面组600中的k个公共模式帧内画面的每一个被划分为n个切片的情况。

当将独立模式帧内画面划分为切片单元时，一个切片可以仅由在相同颜色分量的帧内画面中存在的宏块形成，或者一个切片可以仅由在不同颜色分量的帧内画面中存在于相同位置上的预定数目的宏块形成。例如，在RGB编码中，G颜色分量的帧内画面、R颜色分量的帧内画面、以及B颜色分量的帧内画面中的每一个可以被划分为切片单元。另外，可以将G颜色分量帧内画面中预定数目的宏块、以及R颜色分量帧内画面与B颜色分量的帧内画面中相同位置上的预定数目的宏块编组在一起并且定义为一个切片。

可以利用以下公式4计算切片的目标比特量：

$T_{\mathrm{slice}}(i,j)=\max (T_{\mathrm{slice}}^{\min },\frac{R_{\mathrm{GOP}}(i,j)}{N_{\mathrm{Slice}}(i,j)})$ (公式4)

此处，T_slice(i，j)为分配给第i个画面组的第j个切片的比特量，R_GOP(i，j)为在编码第j个切片时、来自分配给第i个画面组的比特量中的可以使用的比特量，N_slice(i，j)为在编码第i个画面组的第j个切片时画面组中没有编码的切片的数目。例如，当第i个画面组由k个帧内画面形成、并且每个帧内画面被划分为n个切片时，N_Slice(i，j)＝kn-1。T_Slice ^min为应该分配给切片的比特量的最小值，并且可以利用以下公式5计算：

$T_{\mathrm{Slice}}^{\min }=\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{8*\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}*\frac{n_{\mathrm{pic}}}{n_{\mathrm{Slice}}}}$ (公式5)

此处，公式5假定8比特图像，并且对于n比特图像，在公式5中可以将8替换为n。

再次参照图3，如果通过利用公式4在操作320中确定切片的目标比特量，则在操作330中根据切片的目标比特量，确定切片中包含的宏块的目标比特量。假定第i个画面组的第j个切片处宏块单元的目标比特量为T_MB(i，j)，则可以利用以下公式6计算T_MB(i，j)：

$T_{\mathrm{MB}}(i,j)=\frac{T_{\mathrm{Slice}}(i,j)}{n_{\mathrm{Slice}}}$ ...(公式6)

即，可以通过将分配给切片的目标比特量除以切片中包含的宏块的数目，获得切片中包含的宏块的目标比特量。

同时，如果完成了在一个切片中包含的所有宏块的编码，则需要更新关于比特率控制的变量值，以编码下一切片。例如，如果完成了第i个画面组的第j个切片的编码，则为了编码下一切片，即第(j+1)个切片，则利用以下公式7更新指示在向第i个画面组的第(j+1)个切片分配比特时可以使用的比特量R_GOP(i，j+1)、指示编码第i个画面组的第(j+1)个切片所需的缓冲器量的d_Slice(i，j+1)、指示当编码第i个画面组的第(j+1)个切片时第i个画面组的切片中没有编码的切片数目的N_Slice(i，j+1)中的每一个：

R_GOP(i，j+1)＝R_GOP(i，j)-B_Slice(i，j)

d_Slice(i，j+1)＝d_Slice(i，j)+B_Slice(i，j)-T_Slice(i，j)

N_Slice(i，j+1)＝N_Slice(i，j)-1             ..(Equation 7)

此处，B_Slice(i，j)指示用来编码第i个画面组的第j个切片的实际比特量。

在操作340中，确定用于量化当前宏块的量化参数。更具体地，通过考虑缓冲器充实度、宏块单元的目标比特量、以及分配给前一宏块的比特量，可以计算用于编码每个宏块的量化参数。通过应用各种算法，可以计算量化参数。例如，当使用公知为测试模型5(TM5)的量化参数确定算法时，可以利用以下公式8计算用于第i个画面组的第j个切片中的第k个宏块的量化参数：

${\mathrm{QP}}_k=\frac{(d_0+d_{\mathrm{MB}}(i,j,k-1))*31*\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}*N_{\mathrm{ac}{t}_k}}{2*\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}$

                          (公式8)

此处，d₀为当编码当前宏块所属的切片的第一宏块时的缓冲器充实度，并且与d_Slice(i，j)相同。N_-actk为第k个宏块的归一化活跃度，B_MB(i，j，k)为在从当开始第i个画面组的第j个切片的编码时的时间到当完成第k个宏块的编码时的时间的时段期间生成的实际比特量。在公式8中，d_MB(i，j，k)指示编码第i个画面组的第j个切片的第k个宏块时的缓冲器充实度，并且利用以下公式9计算：

d_MB(i，j，k)＝k*T_MB(i，j)-B_MB(i，j，k)

                          (公式9)

在操作350中，为了防止缓冲器的上溢或者下溢，以及为了得到宏块单元中发生的预定比特量，对于每个宏块单元确定缓冲器的上溢或者下溢，然后，校准利用公式8求得的宏块的量化参数。

即，根据本发明的示范性实施例，通过比较在编码前一宏块之后测量的缓冲器充实度值与预定参考值，根据缓冲器充实度值，确定当前宏块的量化参数的校准值。通过利用所确定的校准值，校准所计算的量化参数，由此确定校准的量化参数。

例如，如以下表1所示，在编码第k个宏块时，通过比较指示在前一宏块编码之后测量的缓冲器充实度值d_MB(i，j，k-1)与预定参考值(L_O2，L_O1，L_U1，L_U2)，确定缓冲器的状态，由此确定量化参数的校准值。

表1

条件	缓冲器状态	量化参数校准值(ΔMB)
			dMB(i，j，k-1)≥LO2	上溢2	Δ2
LO1≤dMB(i，j，k-1)≤LO2	上溢1	Δ1
			LU1≤dMB(i，j，k-1)≤LO1	正常	0
LU2≤dMB(i，j，k-1)≤LU1	下溢1	-Δ1
			dMB(i，j，k-1)≤LU2	下溢2	-Δ2

此处，L_U1与L_U2为确定缓冲器下溢的参考值，L_O1与L_O2为确定缓冲器上溢的参考值。可以与缓冲器大小成比例地确定参考值(L_O2，L_O1，L_U1和L_U2)，并且假定L_O2≥L_O1≥L_U1≥L_U2。在以上例子中，通过利用四个参考值确定缓冲器的下溢与上溢，但是通过增加参考值的数目，也可以使之能够对量化参数进行更细致的校准。

Δ₂与Δ₁中的每一个为任意正整数，并且应该满足(QP_MAX-QP_MIN)≥Δ₁≥Δ₁。QP_MAX为量化参数可以成为的最大值，QP_MIN为量化参数可以成为的最小值。一般地，在基于MPEG-1、2、与4的运动画面压缩标准中，QP_MAX＝31，QP_MIN＝1，并且在H.264/AVC压缩标准中，QP_MAX＝51，QP_MIN＝0。

如果通过考虑编码当前宏块时的缓冲器充实度(即在完成对前一宏块的编码之后测量的缓冲器充实度)来确定量化参数校准值(Δ_MB)，则通过利用以下公式10将校准值(Δ_MB)加上量化参数(QP_k)，确定校准的量化参数(QP_k′)

QP_k′＝min(QP_max，max(QP_min，QP_k+Δ_MB)) (公式10)

参照公式10，当缓冲器处于上溢状态时，校准值(Δ_MB)变为正数，并且通过利用较大的量化参数来编码当前宏块，由此减少发生的比特量。当缓冲器处于下溢状态时，校准值(Δ_MB)变为负数，并且通过利用较大的量化参数来编码当前宏块，由此增加发生的比特量。

图7为显示根据本发明示范性实施例的、比特率控制装置700的结构的方框图。

参照图7，根据本发明示范性实施例的比特率控制装置700包括：编码单元710、比特率调整单元720、目标比特量确定单元730、以及缓冲器740。

当输入仅由帧内画面形成的视频序列时，目标比特量确定单元730将帧内画面划分为画面组单元、切片单元、以及宏块单元，并且确定画面组单元、切片单元、以及宏块单元中每一个的目标比特量。

图8为显示根据本发明示范性实施例的、图7所示比特率控制装置700的目标比特量确定单元730的结构的方框图。

参照图8，根据本发明示范性实施例的目标比特量确定单元730包括：用于画面组单元的目标比特量确定单元731、用于切片单元的目标比特量确定单元732、以及用于宏块单元的目标比特量确定单元733。

用于画面组单元的目标比特量确定单元731将在输入视频序列中包含的帧内画面划分为预定的画面组，并且确定每个画面组的目标比特量。

用于切片单元的目标比特量确定单元732将在每个画面组中包含的帧内画面划分为切片单元，并且根据切片所属的画面组的目标比特量，确定每个切片单元的目标比特量。

用于宏块单元的目标比特量确定单元733根据切片的目标比特量，确定切片中包含的宏块的目标比特量。

再次参照图7，比特率调整单元720通过考虑缓冲器充实度、宏块单元的目标比特量、以及至前一宏块发生的比特量，确定用来编码当前宏块的量化参数。另外，比特率调整单元720通过考虑缓冲器740的状态、即缓冲器充实度，生成量化参数的校准值，并且通过将所生成的校准值加上量化参数，比特率调整单元720生成并且输出校准的量化参数。

编码单元710根据校准的量化参数，量化当前宏块，由此生成比特流。所生成的比特流存储在缓冲器740中，然后输出。

根据以上示范性实施例描述的本发明，当编码仅由帧内画面形成的视频序列时，以宏块单位生成预定量的比特，由此防止发生存储比特流的缓冲器的上溢或者下溢。另外，根据本发明，将当编码仅由帧内画面形成的视频序列时发生的比特率维持为均匀，并且因此本发明可以用于实时传送高品质运动画面的系统。

本发明也可以实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质可以为能够存储以后可以由计算机系统读取的数据的任意数据存储设备。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、以及光数据存储设备。计算机可读记录介质也可以分布在网络耦合的计算机系统上，从而以分布方式存储与执行计算机可读代码。

虽然参照本发明示范性实施例具体描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神与范围的前提下，可以进行形式与细节的各种改变。示范性实施例应该仅以描述性意义理解，而非限定性目的。因此，本发明的范围不是由对本发明示范性实施例的详细描述限定，而是权利要求限定，并且该范围内的所有差异都应该被理解为包含在本发明中。

Claims (12)

1.一种当编码仅由帧内画面形成的视频序列时控制比特率的方法，该方法包括以下步骤：

将帧内画面划分为多个画面组，并且基于分配给前一画面组的目标比特量、画面组中的帧内画面的总数、每秒生成的比特量、和每秒生成的帧内画面的数目来确定该多个画面组的目标比特量；

将在第一画面组中包含的帧内画面划分为多个切片，并且根据第一画面组的目标比特量和第一画面组中的切片的数目，确定该多个切片的目标比特量；

根据第一切片的目标比特量和第一切片中包括的宏块的数目，确定在所述多个切片的第一切片中包含的第一宏块的目标比特量；以及

通过考虑第一宏块的所确定的目标比特量、分配给前一宏块的所生成的比特量、以及缓冲器充实度，计算要编码的当前宏块的量化参数，

其中所述确定多个画面组的目标比特量包括：利用以下公式确定当前编码的宏块所属的第i个画面组的目标比特量R_GOP(i)：

$R_{\mathrm{GOP}}\left(i\right)=R_{\mathrm{GOP}}(i-1)+k*\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}}$

其中，R_GOP(i)为当前编码的宏块所属的第i个画面组的目标比特量，i≥0，R_GOP(i-1)为分配给当前第i个画面组之前的第(i-1)个画面组的目标比特量，R_GOP(-1)＝0，k为在第i个画面组中包含的帧内画面的总数，bit_rate为每秒生成的比特量，picture_rate为每秒生成的帧内画面的数目，

其中所述确定多个切片的目标比特量包括

利用以下公式计算分配给当前切片的比特量：

$T_{\mathrm{slice}}(i,j)=\max (T_{\mathrm{slice}}^{\min },\frac{R_{\mathrm{GOP}}(i,j)}{N_{\mathrm{Slice}}(i,j)})$

其中，R_GOP(i，j)为在编码第j个切片时、来自分配给第i个画面组的比特量中的可以使用的比特量，N_Slice(i，j)为在编码第i个画面组的第j个切片时第i个画面组中没有编码的切片的数目，

为应该分配给切片的比特量的最小值，T_slice(i，j)为分配给对应于第i个画面组的第j个切片的当前切片的比特量，

其中所述确定第一宏块的目标比特量包括：利用以下公式确定当前宏块的目标比特量：

$T_{\mathrm{MB}}(i,j)=\frac{T_{\mathrm{Slice}}(i,j)}{n_{\mathrm{Slice}}}$

其中，T_MB(i，j)为第i个画面组的第j个切片上的当前宏块的目标比特量，T_Slice(i，j)为分配给对应于第i个画面组的第j个切片的当前切片的比特量，n_slice为在第j个切片中包括的宏块的数目。

2.如权利要求1的方法，其中所述将帧内画面划分为多个画面组包括：如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则划分该多个帧内画面，使得所述多个画面组中的每一个都包括相同数目的帧内画面。

3.如权利要求1的方法，其中所述将帧内画面划分为多个画面组包括：如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则参照其中场景改变的帧内画面划分该多个帧内画面。

4.如权利要求1的方法，其中所述将帧内画面划分为多个画面组包括：如果该多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个对应颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则划分该多个帧内画面，使得第一画面组中具有第一颜色分量图像的帧内画面的数目与第二画面组中具有第二颜色分量图像的帧内画面的数目相同。

5.如权利要求1的方法，其中所述将帧内画面划分为多个画面组包括：如果该多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个对应颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则划分该多个帧内画面，使得一个画面组包括从所述多个颜色分量中选择的仅一个颜色分量的图像的帧内画面。

6.如权利要求1的方法，其中所述计算要编码的当前宏块的量化参数包括：

通过考虑缓冲器充实度、第一宏块单元的目标比特量、以及分配给前一宏块的比特量，计算用于编码当前宏块的量化参数；

比较缓冲器充实度与参考值，并且根据缓冲器充实度的大小，确定是否发生缓冲器上溢或者下溢，并且生成用来校准量化参数的校准值；并且通过将该校准值加到所计算的量化参数，计算校准的量化参数。

7.如权利要求1的方法，还包括：如果完成了对第一切片中包括的所有宏块的编码，则更新关于比特率控制的变量的值，以编码所述多个切片的第二切片。

8.一种当编码仅由帧内画面形成的视频序列时控制比特率的装置，该装置包括：

缓冲器，其临时存储所编码的比特流；

用于画面组单元的目标比特量确定单元，其将帧内画面划分为多个画面组，并且基于分配给前一画面组的目标比特量、画面组中的帧内画面的总数、每秒生成的比特量、和每秒生成的帧内画面的数目来确定该多个画面组的目标比特量；

用于切片单元的目标比特量确定单元，其将在第一画面组中包含的帧内画面划分为多个切片，并且根据第一画面组的目标比特量和第一画面组中的切片的数目，确定该多个切片的目标比特量；

用于宏块单元的目标比特量确定单元，其根据第一切片的目标比特量和第一切片中包括的宏块的数目，确定在所述多个切片的第一切片中包含的第一宏块的目标比特量；以及

比特率调整单元，其通过考虑缓冲器充实度、第一宏块单元的所确定的目标比特量、以及为前一宏块生成的比特量，确定用来编码当前宏块的量化参数，并且当编码当前宏块时，通过比较缓冲器充实度的大小与参考值，根据缓冲器充实度生成校准值，并且通过将所生成的校准值加到所述量化参数，生成并且输出校准的量化参数；以及

编码单元，其根据校准的量化参数量化当前宏块，并且生成比特，

其中所述用于画面组单元的目标比特量确定单元利用以下公式确定当前编码的宏块所属的第i个画面组的目标比特量R_GOP(i)：

$R_{\mathrm{GOP}}\left(i\right)=R_{\mathrm{GOP}}(i-1)+k*\frac{\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}}{\mathrm{picture}\_\mathrm{rate}}$

其中，R_GOP(i)为当前编码的宏块所属的第i个画面组的目标比特量，i≥0，R_GOP(i-1)为分配给当前第i个画面组之前的第(i-1)个画面组的目标比特量，R_GOP(-1)＝0，k为在第i个画面组中包含的帧内画面的总数，bit_rate为每秒生成的比特量，picture_rate为每秒生成的帧内画面的数目，

其中所述用于切片单元的目标比特量确定单元利用以下公式确定分配给当前切片的比特量：

$T_{\mathrm{slice}}(i,j)=\max (T_{\mathrm{slice}}^{\min },\frac{R_{\mathrm{GOP}}(i,j)}{N_{\mathrm{Slice}}(i,j)})$

其中，R_GOP(i，j)为在编码第j个切片时、来自分配给第i个画面组的比特量中的可以使用的比特量，N_Slice(i，j)为在编码第i个画面组的第j个切片时第i个画面组中没有编码的切片的数目，

为应该分配给切片的比特量的最小值，T_slice(i，j)为分配给对应于第i个画面组的第j个切片的当前切片的比特量，

其中所述用于宏块单元的目标比特量确定单元利用以下公式确定当前宏块的目标比特量：

$T_{\mathrm{MB}}(i,j)=\frac{T_{\mathrm{Slice}}(i,j)}{n_{\mathrm{Slice}}}$

其中，T_MB(i，j)为第i个画面组的第j个切片上的当前宏块的目标比特量，T_Slice(i，j)为分配给对应于第i个画面组的第j个切片的当前切片的比特量，n_slice为在第j个切片中包括的宏块的数目。

9.如权利要求8的装置，其中如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则所述用于画面组单元的目标比特量确定单元划分该多个帧内画面，使得所述多个画面组中的每一个都包括相同数目的帧内画面。

10.如权利要求8的装置，其中如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量的图像的公共模式帧内画面，则所述用于画面组单元的目标比特量确定单元参照其中场景改变的帧内画面划分该多个帧内画面。

11.如权利要求8的装置，其中如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个对应颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则所述用于画面组单元的目标比特量确定单元划分该多个帧内画面，使得第一画面组中具有第一颜色分量图像的帧内画面的数目与第二画面组中具有第二颜色分量图像的帧内画面的数目相同。

12.如权利要求8的装置，其中如果多个帧内画面为其中该多个帧内画面包括多个颜色分量中的仅一个对应颜色分量的图像的独立模式帧内画面，则所述用于画面组单元的目标比特量确定单元划分该多个帧内画面，使得一个画面组包括从所述多个颜色分量中选择的仅一个颜色分量的图像的帧内画面。

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