CN101778296A - 一种视频信号编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种视频信号编码方法，包括下列步骤：分析当前片中，前一个宏块的复杂度相对于整个片中已经编码宏块的复杂度变化，来预测当前编码宏块n输出比特数目bn；如果bn超过
Figure 200910104867.0_AB_0
，则当前片截止；如果bn不超过
Figure 200910104867.0_AB_0
，则继续编码宏块；所述s是预测的NAL字节数。实施本发明的视频信号编码方法，可达到自适应地在率失真性能及数据包的误码率之间作平衡的效果。

Description

一种视频信号编码方法
技术领域
本发明涉及视频信号处理，更具体地说，涉及一种视频信号编码方法。
背景技术
移动无线信道具有易错(error-prone)的性质。而象H.264这类现代压缩编码技术编码后的图象冗余度非常小，从而对数据包的丢失、误码特别敏感。无线信道的误码率与移动速度、比特率、包的时间跨度、包大小等因素相关。表1例举了6种应用模式，分别表示不同的运动速度、比特率、包的时间跨度。
表1无线传输中可能的6种应用模式
  序号   比特率   长度   BER＊   移动速度   应用
  1   64kbit/s   60s   9.3e-3   3km/h   流媒体
  2   64kbit/s   60s   2.9e-3   3km/h   流媒体
  3   64kbit/s   180s   5.1e-3   3km/h   会话级
  4   64kbit/s   180s   1.7e-3   50km/h   会话级
  5   128kbit/s   180s   5.0e-3   3km/h   会话级
  6   128kbit/s   180s   2.0e-3   50km/h   会话级
*BER，是指比特误码率(Bit Error Ratio)。
图1中显示了这6种模式在无线信道中的误码率随着包尺寸改变的变化。图1中，BER是指比特误码率(Bit Error Ratio)，BEP是指比特误码的模式(Bit Error Pattern)。从图1中可以看到，随着包尺寸的增加(伴随着包数目的减少)，6种模式的误码率几乎都呈线性增长。从图1的实验来看，减少包尺寸的大小，对传输效率有正面影响，然而，从编码器率失真性能看，包尺寸减小，意味着NAL(网络提取层)数目增多，由于每个NAL必须独立被解码，意味着冗余信息的增多，这会导致：Slice NAL(片网络提取层)内部的Slice(片)片头必须包含重复的slice header(片头)句法元素，Slice NAL内部的Slice不能互相参考，从而降低帧内编码宏块的率失真性能。
在无线信道中传输，数据包大小的决策问题是一个重要的因素。人们试图找到一个平衡点，既使编码器的率失真性能不明显下降，又能得到一定的网络通过性。这首先需要能够在NAL层任意控制编码器输出数据包的尺寸。
图2显示了按照120kbps CBR(Constants Bit Rate，恒比特率)方式编码FOREMAN测试序列的每帧图象输出的比特数。可以看到，由于自然界中的视频序列在时间上的复杂度总是波动的，而且各个帧的编码模式不一，即使是按照CBR模式编码，每帧图象产生的比特数总是在较大幅度上波动。H.264设计了片的结构，允许每一帧图象可以切割为若干个片，从而为本发明提供了条件。然而，仍然要解决的一个难题是如何能实时、精确地预测、控制每个片的尺寸大小。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述数据包的大小不能动态控制导致冗余信息增多或者率失真性能不能均衡的缺陷，提供能够动态控制数据包的大小的一种视频信号编码方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种视频信号编码方法：分析当前片中，前一个宏块的复杂度相对于整个片中已经编码宏块的复杂度变化，来预测当前编码宏块n输出比特数目bn；如果bn超过
Figure G2009101048670D0000021
则当前片截止；如果bn不超过
Figure G2009101048670D0000031
则继续编码宏块；s是预测的NAL字节数。
在本发明所述的视频信号编码方法中，所述
Figure G2009101048670D0000032
其中，bn即为宏块n编码比特数的预测值，
Figure G2009101048670D0000033
表示宏块n内部所有4×4小块残差系数的平方和；Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是宏块n内部位于坐标(i，j)的k×l个残差系数；α是调节因子，其取值范围为0.5～2；
所述 s = t 8 · f · | Qp n , i ′ - 21 21 |
其中，t为目标平均码率，f为帧率，
所述
Figure G2009101048670D0000035
Qpn，i为第n帧图象的第i宏块的量化参数，Qpn，i′为第n帧图象的第i个宏块的归一化量化参数。
在本发明所述的视频信号编码方法中，所述α＝1.1。
在本发明所述的视频信号编码方法中，所述s＝min(s，1024)。
实施本发明的视频信号编码方法，具有以下有益效果：编码器可以计算出当前比特率、帧率、网络参数下的NAL长度，并统计已经编码宏块的复杂度及输出比特数，实时预测当前编码宏块的复杂度及预期编码比特数，判断片截止的条件，从而控制片的尺寸，达到自适应地在率失真性能及数据包的误码率之间作平衡的效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是误码率与包长度的关系；
图2是FOREMAN 300帧图象每一帧比特数的波动示意图；
图3是本发明的一种视频信号编码方法的流程图。
具体实施方式
参考图3，本发明的视频信号编码方法，其思想是动态地判断各种类型图象的数据包尺寸的目标值，继而指导编码器的工作流程，该方法包括(1)NAL长度预测方法和(2)自适应片(Slice)截止方法。
NAL长度预测方法用于预测计算当前比特率、帧率、网络参数下的NAL长度，以便在率失真性能与信道误码率之间作权衡。
自适应片截止方法用于统计已经编码宏块的复杂度及输出比特数，实时预测当前编码宏块的复杂度及预期编码比特数，判断片截止的条件，从而控制片的尺寸。
设目标平均码率t，帧率f，s为所求取的对应图象NAL预测的字节数，有：
s = t 8 · f · γ - - - ( 1 )
式1中，γ是调节因子，根据图象类型、图象过压缩程度等情况来决定γ的值。由于图象压缩损失基本发生在量化阶段，所以可以用量化参数值粗略地估算图象的RD(率失真，Rate Distortion)性能。
设当前编码图象Framen，第i宏块的量化参数为Qpn，i前一帧图象Framen-1的各宏块量化参数为Qpn-1，i。为减少计算量，通过分析Framen-1中的Qpn-1，i，粗略推算Framen-1的率失真性能，然后以此预测Framen的情况，如果Framen-1的量化参数偏高，意味着Framen-1过压缩的情况严重，则增加Framen中NAL的尺寸(即比特数)，从而补偿率失真性能；反之，如果Framen-1的量化参数偏低，意味着Framen-1的质量良好，则减少Framen中NAL的尺寸(即比特数)，从而减少信道中的误码率，提高码流的网络通过性。
实际编码中，I、P、B类型的宏块类型不同，量化的策略会有不同。在编码器中，I图象作为整个GOP(Group of Pictures，画面组)的运动参考源需要有最高的率失真性能，它的量化参数一般会比P图象高2～3；P图象对于后续P及B图象，在时间上也具有较高的参考价值，量化参数通常比B图象高出2。所以可以对Qpn-1，i作类似归一化处理：
Figure G2009101048670D0000051
γ按式(3)取值。式(3)所描述的模型具有计算量小、简单准确的优点。之所以选用21作为临界值，是因为21几乎是低码率下压缩时量化参数的起点，编码器工作在低码率区间时，Qpn，i几乎不会低于21。
Qpn，i＞21时，编码器按照上述分析的NAL的比特数原则工作，即量化参数越大，表明失真越大，此时扩大NAL尺寸以提升率失真性能；量化参数越小，表明率失真性能质量高，可以缩小NAL的字节数以减少网络误码率。Qpn，i＜21时，此模型不能工作。
γ = | Qp n , i ′ - 21 21 | - - - ( 3 )
确定γ后，就可以得出s的最终表达式：
s = t 8 · f · | Qp n , i ′ - 21 21 | - - - ( 4 )
最后还需要满足s＝min(s，1024)，min(·，·)表示最小值函数，即当s比1024大时，s的值被改为为1024，当s比1024小时，s的值不变。这是因为IP网络中路由器有MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)的问题。
本方法的主要思想是，通过分析在当前片中，前一个宏块的复杂度相对于整个片中已编码宏块的复杂度变化，来预测当前编码宏块输出比特数目；如果编码当前宏块后导致整个片的大小超过计算的NAL预测比特数，则当前片截止。
这个方法的优势是不需要实际编码各个宏块就能提前判断截止。设n是当前片中编码宏块的序号，设Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是宏块n内部位于坐标(i，j)的k×l个残差系数。
Figure G2009101048670D0000061
Rn表示第n个宏块内部所有4×4小块残差系数的平方和。
式(5)给出第n个宏块编码比特数的预测值，设bn是第n个宏块编码的比特数。bn由bn-1对复杂度加权后预测得来：
b n = b n - 1 · R n - 1 1 n Σ m = 1 n R m · α - - - ( 5 )
式5中α是调节因子，在实验中观察，取值1.1是比较合适的值，在具体实施时也可以根据需要调节。下面给出片的截止条件的算法描述：
如果
Figure G2009101048670D0000063
则当前片截止；
否则，继续编码第n个宏块。
通过本发明的视频信号编码方法，编码器可以计算出当前比特率、帧率、网络参数下的NAL长度，并统计已经编码宏块的复杂度及输出比特数，实时预测当前编码宏块的复杂度及预期编码比特数，判断片截止的条件，从而控制片的尺寸，达到自适应地在率失真性能及数据包的误码率之间作平衡的效果。

Claims (4)

1.一种视频信号编码方法，其特征在于，包括下列步骤：
分析当前片中，前一个宏块的复杂度相对于整个片中已经编码宏块的复杂度变化，来预测当前编码宏块n输出比特数目bn；如果bn超过
Figure F2009101048670C0000011
则当前片截止；如果bn不超过
Figure F2009101048670C0000012
则继续编码第n个宏块；所述s是预测的NAL字节数；所述
Figure F2009101048670C0000013
表示前n-1个宏块的输出比特数目之和。
2.根据权利要求1所述的视频信号编码方法，其特征在于，
所述 b n = b n - 1 · R n - 1 1 n Σ m = 1 n R m · α
其中，bn即为当前宏块n编码比特数的预测值，
Figure F2009101048670C0000015
Rn表示第n个宏块内部所有4×4小块残差系数的平方和；Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是第n个宏块内部位于坐标(i，j)的k×l个残差系数；α是调节因子，其取值范围为0.5～2；
所述 s = t 8 · f · | Q p n , i ′ - 21 21 |
其中，t为目标平均码率，f为帧率，
所述
Figure F2009101048670C0000017
Qpn，i为第n帧图象的第i个宏块的量化参数，Qpn，i′为第n帧图象的第i个宏块的归一化量化参数。
3.根据权利要求2所述的视频信号编码方法，其特征在于，所述α＝1.1。
4.根据权利要求1所述的视频信号编码方法，其特征在于，所述s＝min(s，1024)。
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