CN101841713B

CN101841713B - 降低编码码率的视频编码方法及系统

Info

Publication number: CN101841713B
Application number: CN 201010161530
Authority: CN
Inventors: 宋锐; 李云松; 奉玉丽; 吴成柯; 王养利; 肖嵩; 杜建超; 张仪
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN101841713A

Abstract

本发明公开了一种降低编码码率的视频编码方法及系统，主要解决了视频编码码率过高和传输带宽利用率较低的问题。该系统包括：编码前向模块，用于对图像原始数据进行预测，对残差系数进行变换量化，得到量化系数；量化系数处理模块，用于对子块中的量化系数求和，并将求和值为1的子块的量化系数移除但保留子块左上角的量化系数，否则不做任何改变；编码重建模块，用于对编码前向模块得到的量化系数进行反量化和反变换，重建得到当前宏块的重建像素；熵编码模块，用于对量化系数处理模块得到的量化系数进行熵编码，熵编码后的信息都被递交到网络层进行传输。本发明具有降低编码码率，提高传输带宽利用率的优点，可用于视频编码系统的视频压缩处理。

Description

降低编码码率的视频编码方法及系统

技术领域

本发明涉及视频图像处理领域，尤其涉及一种视频编码的实现方法及编码系统，可用于H.264视频编码系统的视频压缩处理。

背景技术

未来的社会将是信息化的社会。数字化的信息，尤其是数字化后的视频和音频信息，具有数据海量性的特点，给信息的存储和传输造成很大的困难，成为阻碍人类获取和使用有效信息的瓶颈之一。视频信息具有一系列优点，如直观性，确切性，高效性，广泛性等等，但是信息量太大。要使视频得到有效的应用，必须解决编码压缩率和解码图像质量的问题。这两者是相互矛盾的两个方面。因此，研究和开发新型有效的多媒体数据压缩编码方法，以压缩的形式存储和传输这些数据将是最好的选择。在视频编码标准H.264中，视频数据按照宏块为单位编码，当前宏块减去预测宏块，得到残差宏块。对残差宏块进行变换、量化，得到量化系数；对量化系数进行zig-zag扫描后进行熵编码；将熵编码后的结果递交到网络层进行传输。

现有技术中通常是在量化完成后，直接把量化结果进行zig-zag扫描后传送到熵编码端，这样虽然能够保存图像数据的精确性和完整性，但也会引起传输过程中码率过高及一些不易被肉眼感知的冗余的细节信息的被传输，这样会造成编码码率过大。在满足视频质量要求情况下，如果编码码率过大，视频码流传输时，会降低传输带宽利用率并造成信道堵塞。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种降低编码码率的视频编码方法及系统，以减小在传输过程中码率过高及一些不易被肉眼感知的冗余的细节信息的传输，提高传输带宽利用率，保证信道畅通。

本发明的目的是这样实现的：

一.术语说明

子块：大小为4×4的像素块。

宏块：图像被分为若干个16×16的块，每一个块就称为一个宏块。

量化系数：像素进行量化后的值。

zig-zag扫描：一个4×4二维数组变为一个长为16个元素的一维序列，对应位置变换如图5，即4×4二维数组(0，0)_(0，1)_(1，0)_(2，0)_(1，1)_(0，2)_(0，3)_(1，2)_(2，1)_(3，0)_(3，1)_(2，2)_(1，3)_(2，3)_(3，2)_(3，3)，变成对应的一维序列0_1_2_3_4_5_6_7_8_9_10_11_12_13_14_15.

DC系数：量化系数矩阵中位于子块最左上角位置的量化系数。

AC系数：量化系数矩阵中除了子块最左上角位置的量化系数以外的其他量化系数。

残差数据：原始像素减去预测像素得到的差值数据。

残差宏块：预测宏块与当前宏块对应位置的像素值相减得到的宏块数据。

二.本发明的视频编码方法，包括以下步骤：

(1)输入当前帧图像，编码器对每一帧以宏块为单位按帧内模式或帧间模式进行预测，得到预测宏块，并从预测宏块中减去当前宏块，得到残差宏块；

(2)对残差宏块进行变换量化，获得子块象素的量化值；

(3)对每个子块中的所有象素的量化系数求和，判断其值是否为1，如果为1，则对这个子块除左上角象素以外的量化系数进行移除，否则对该子块的量化系数不做任何改变；

(4)对经过步骤(3)处理后的量化系数进行zig-zag扫描，传递到熵编码端进行熵编码；

(5)将熵编码后的数据递交到网络层进行传输。

三.本发明的视频编码系统，包括：

(A)编码前向模块，用于对图像原始数据进行预测，对每一帧以宏块为单位按帧内模式或帧间模式进行预测，得到残差宏块，对残差系数进行变换量化，得到象素的量化系数，该量化系数传输给量化系数处理模块和编码重建模块；

(B)量化系数处理模块，用于对每个子块中的所有象素的量化系数求和，判断其值是否为1，如果为1，则对这个子块除左上角象素以外的量化系数进行移除，否则对该子块的量化系数不做任何改变，该量化系数处理结果传输到熵编码模块和编码重建模块；

(C)编码重建模块，用于重建当前宏块像素，即对编码前向路径模块得到的当前宏块量化系数，进行反量化和反变换，得到当前宏块的重建像素，该重建像素传输到编码前向模块，为下一个宏块编码提供参考象素；

(D)熵编码模块，用于对当前宏块量化系数的处理结果，进行熵编码，熵编码后的系数与附加信息都被递交到网络提取层进行传输。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明由于在原有的H.264编码系统基础上，增加了量化系数处理模块，在进行

熵编码前，对量化系数进行了选择性的移除处理，因而能够大幅度减少编码的量化系数个数，降低编码码率，提高传输带宽利用率；

2)本发明由于采用了量化系数处理模块，能够减少不易被肉眼感知的冗余信息的被传输；

3)本发明由于采用了量化系数处理模块，对量化系数进行了选择性的移除，而对左上角量化系数不做任何改变，因而能够使得重要信息更多的集中在子块左上角，有利于重要信息的集中处理和传输。

仿真结果表明，本发明能够在保证视频质量的情况下，降低视频编码码率，提高传输效率。

从以下参考附图的详细说明中，可以对本发明的实施例以及优点有更清楚的了解。

附图说明

本发明的特征及优点通过以下附图和实施例进一步说明：

图1是本发明的编码系统框图；

图2是本发明的量化系数处理模块框图；

图3是本发明的编码方法流程图；

图4是本发明的量化系数处理流程图；

图5是zig_zag扫描示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明编码系统包括：编码前向模块10，编码重建模块20，量化系数处理模块30和熵编码模块40。其中编码前向模块10与量化系数处理模块30单向连接，编码前向模块10与编码重建模块20双向连接，编码重建模块20与量化系数处理模块30单向连接，量化系数处理模块30与熵编码模块40单向连接。

所述编码端前向模块10，对每一帧以宏块为单位按帧内模式或帧间模式进行预测。在任何一种情况下，都由重建帧得到一个预测宏块。在帧内模式下，预测宏块是由当前宏块的相邻宏块的重建数据作为参考帧，按照最佳的预测方向，得到当前宏块的像素值。在帧间模式下，预测宏块以一个或多个参考帧通过运动补偿，按照前向或者后向的预测方向得到当前宏块的像素值。将预测宏块从当前宏块中减去，得到一个残差宏块并对它进行变换和量化，得到量化系数。

所述编码端重建模块20，用来重建当前宏块，即量化系数经过反量化和反变换，得到残差宏块，预测宏块与残差宏块相加得到重建宏块，用环路滤波器对重建宏块滤波，去除块效应，滤波前的重建宏块的像素用以作为下一宏块预测的参考像素。重建的参考帧由一系列的经过滤波后的重建宏块构建。

所述量化系数处理模块30，包括求和子模块301，判断子模块302和移除子模块303，如图2所示。其中求和子模块301与判断子模块单向连接，判断子模块302与移除子模块单向连接。所述的求和子模块301，用来对一个子块的所有量化系数进行求和，这里的量化系数指的是按帧间预测得到的量化系数，对亮度和色度的量化系数分别求和。所述的判断子模块302，用来对求和子模块301的求和结果进行判断，判断其是否为1，为1则传给移除子模块的移除指令，不为1则传给移除子模块的不移除指令。所述的移除子模块303，根据判断子模块302传输过来的指令，对除左上角以外的量化系数进行移除或者不移除操作。

所述熵编码模块40，对量化系数进行zig-zag扫描和熵编码，并将熵编码后的结果递交到网络层进行传输。

参见图3，本发明的编码方法包括以下步骤：

(A)对宏块像素进行预测和模式选择，得到最佳预测模式和宏块预测像素。

首先，输入视频流，通过参考帧获取当前帧F_n的当前宏块的预测像素值P，帧内模式下，以当前帧宏块的相邻宏块重建数据作为参考帧，按照最佳的预测方向得到当前宏块的预测像素值P；帧间模式下，以一个或多个参考帧的相同位置的宏块作为参考帧，通过运动估计和运动补偿，按照前向或者后向的预测方向得到当前宏块的预测像素值P；

然后，从帧内预测模式和帧间预测模式中选择出残差较小的预测模式作为最佳的预测模式，再以选出来的最佳预测模式进行预测，得到宏块最终的预测像素值。

(B)对残差宏块进行变换和量化，并对残差宏块进行重建，得到重建宏块和重建帧。

首先，将预测宏块P从当前宏块中减去，得到残差宏块D_n，并对它进行变换和量化，得到量化系数X；

然后，对量化系数X进行反量化和反变换，得到残差宏块D′_n，预测宏块P与D′_n相加得到重建宏块uF′_n；用环路滤波器对重建宏块uF′_n去除块效应，得到滤波后的重建宏块F′_n，由重建宏块F′_n组建重建帧。

(C)对量化系数进行选择性的移除操作。

参见图4，本步骤的具体实现过程如下：

1)输入子块的量化系数，对量化系数进行缓存；

2)判断量化系数是否为帧间预测得到的量化系数，是则进行(3)，否则回到(1)；

3)对量化系数进行求和，即对一个子块的十六个量化系数进行累加；

4)判断是否进行移除，即判断(3)的结果是否为1，为1则传输移除指令给(5)，否则传输不移除指令给(5)；

5)量化系数处理，即根据(4)传输过来的指令，对子块的量化系数进行移除或者不移除，得到处理后的量化系数X′；

(D)对进行选择性移除操作后的量化系数X′进行熵编码。

对经过步骤(C)进行移除量化系数处理后得到的量化系数X′进行zig-zag扫描，将一个4×4二维数组变为一个长为16个元素的一维序列，再进行熵编码，熵编码后的结果传递到网络层进行传输；

为了使本发明的优点得到进一步的体现，以下是使用本方法进行的测试。

1.测试条件

计算机配置环境为Pentium4 2.6Ghz，内存1G，系统windows xp2，所有测试均在此配置环境下进行。

2.测试内容

采用慢速、中速、快速等移动剧烈程度不同的标准序列进行测试。在本实验中，我们对四组不同的视频序列进行了测试，分辨率为352×288象素，帧率为30帧/秒，量化参数分别为15，25，30，35，40，51时，测得的码率和信噪比。

3.测试结果

测试结果如表1所示。

表1：适用本发明前后的编码码率和峰值信噪比比较

4.结果分析

如表1所示，使用本发明的方法在视频质量不受较大影响的情况下，提高了编码码率和传输带宽利用率。

根据统计数据，得到的测试结果中编码码率平均降低了4.6％，在不影响视频质量的情况下，编码码率得到了较大幅度的提高.

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换的，均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围当中。

Claims

1.一种降低输出码率的视频编码方法，包括以下步骤：

(A)输入当前帧图像，编码器对每一帧以宏块为单位按帧内模式或帧间模式进行预测，得到预测宏块，并从预测宏块中减去当前宏块，得到残差宏块：

(B)对残差宏块进行变换量化，获得子块像素的量化系数；

(C)判断量化系数是否为帧间预测得到的量化系数，如果是则按帧间预测模式预测时的亮度和色度量化系数分别对每个子块中的所有像素的量化系数求和，判断其值是否为1，如果为1，则对这个子块除左上角像素以外的量化系数进行移除，否则对该子块的量化系数不做任何改变；

(D)对经过步骤(C)处理后的量化系数进行zig-zag扫描，传递到熵编码端进行熵编码；

(E)将熵编码后的数据递交到网络层进行传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(A)所述的按帧内模式进行预测，是以当前帧宏块的相邻宏块重建数据作为参考帧，按照最佳的预测方向得到当前宏块的像素值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(A)所述的按帧间模式进行预测，是以一个或多个参考帧的相同位置的宏块作为参考帧，通过运动估计和补偿，按照前向或者后向的预测方向得到当前宏块的像素值。

4.一种降低编码码率的视频编码系统，包括：

(A)编码前向模块(10)，用于对图像原始数据进行预测，对每一帧以宏块为单位按帧内模式或帧间模式进行预测，得到残差宏块，对残差系数进行变换量化，得到像素的量化系数，该量化系数传输给量化系数处理模块和编码重建模块；

(B)量化系数处理模块(30)，用于判断量化系数是否为帧间预测得到的量化系数，如果是则按帧间预测模式预测时的亮度和色度量化系数分别对每个子块中的所有像素的量化系数求和，判断其值是否为1，如果为1，则对这个子块除左上角像素以外的量化系数进行移除，否则对该子块的量化系数不做任何改变，该量化系数处理结果传输到熵编码模块；

(C)编码重建模块(20)，用于重建当前宏块像素，即对编码前向模块(10)得到的残差宏块量化系数，进行反量化和反变换，得到当前宏块的重建像素，该重建像素传输到编码前向模块，为下一个宏块编码提供参考像素；

(D)熵编码模块(40)，用于对残差宏块量化系数的处理结果，进行熵编码，熵编码后的系数与附加信息都被递交到网络层进行传输。