CN102202220A - 编码设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及编码设备及其控制方法。在该编码设备用的控制方法中，所述编码设备进行比特率控制，所述控制方法包括以下步骤：获取步骤，用于获取第一量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；第一计算步骤，用于根据预设速率和实际编码后的速率控制单位的速率计算评价值；第一设置步骤，用于如果所述评价值在预定范围内，则将通过所述获取步骤获取的第一量化参数设置为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；以及第二设置步骤，用于如果所述评价值不在所述预定范围内，则基于计算出的评价值设置第二量化参数设置作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数。

Description

编码设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及运动图片编码用的速率控制(rate control)。

背景技术

根据对利用JPEG或H.264进行了标准化的DCT系数进行量化的编码方法，例如，在编码时DCT系数的量化宽度以帧为单位变化，以减小图像的比特率。被称为速率控制的技术通过改变量化宽度以适合所指定的速率来控制图像的比特率。

由于量化宽度相对于图像质量或大小为非线性值空间，因此难以使用量化宽度本身来控制速率。因而，在实际的速率控制中，利用被称为量化参数的更容易控制的数值空间来进行用于速率控制的计算，将量化参数转换成量化宽度，从而对DCT系数进行量化以进行编码。随着量化参数的值减小，要获取的图像的图像质量提高。然而，速率也增大。随着量化参数的值增大，图像质量下降。然而，速率也减小。另一方面，例如，日本特开2006-109420公开了用于控制量化参数、以使得速率和量化参数的乘积可以为恒定值的方法。

在针对视频编码的速率控制中，针对各帧、块或这两者调整图像质量和速率之间的平衡以确定量化参数，并且连续控制多个帧的速率以适合预定速率。例如，如果估计为在开始对帧或块进行编码时、速率(实际比特率)将大于指定速率，则减小量化参数以进行编码。相反，如果估计为实际比特率将小于指定速率，则必须增大量化参数以进行编码。这里，将实际比特率作为通过对直到前一帧或前一块的图像进行编码所生成的流的比特率来处理。当对最后帧完成编码时，流本身的比特率是实际比特率。

过去已经提出了各种量化参数计算方法。例如，日本特开2006-74347描述了基于缓冲器的占有率和图像的复杂度来计算量化参数。

当由于增大量化参数进行编码、图像质量劣化时，感知到量化噪声。在这种情况下，当量化参数在时间上迅速变化时，量化噪声增加或减少。这使量化噪声闪烁。

发明内容

本发明可以抑制量化参数的变化并减少量化噪声的闪烁。

根据本发明的方面，提供了一种编码设备用的控制方法，所述编码设备进行比特率控制，所述控制方法包括以下步骤：获取步骤，用于获取第一量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；第一计算步骤，用于根据预设速率和实际编码后的速率控制单位的速率计算评价值；第一设置步骤，用于如果所述评价值在预定范围内，则将通过所述获取步骤获取的第一量化参数设置为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；以及第二设置步骤，用于如果所述评价值不在所述预定范围内，则基于计算出的评价值设置第二量化参数设置作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数。

本发明可以抑制量化参数的变化并减少量化噪声的闪烁。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是编码设备的框图。

图2是速率控制单元中的控制的流程图。

图3示出量化参数变化的示例。

图4是第二实施例的速率控制单元中的控制的流程图。

图5是第三实施例的速率控制单元中的控制的流程图。

图6是本发明可应用于的计算机的硬件结构示例。

具体实施方式

第一实施例

以下将参考附图基于实施例来详细说明本发明。以下的实施例的结构仅用于例示，并且本发明不局限于例示的这些结构。

图1示出根据本发明第一实施例的编码设备的示例。编码设备100包括DCT单元101、量化单元102、可变长度编码单元103、逆量化单元104、逆DCT单元105、解块滤波器单元106、帧内预测单元107、帧间预测单元108、运动估计单元109和速率控制器110。以下将说明具有该结构的编码设备所进行的操作。

首先，将说明可以仅利用帧内的数据进行解码的帧内编码宏块的编码。宏块通常为16×16像素的块，并且包括各自均作为以下将说明的DCT变换或帧内预测的单位的多个块。以像素为单位计算在所输入的视频信号中要编码的各宏块的像素值、与在帧内预测单元107中生成的要编码的宏块的像素预测值之间的差，以生成16×16像素的差值块。

接着，DCT单元101对差值块进行DCT变换。通常按4×4像素或8×8像素的块进行该处理，并且输出频率成分的系数数据。将该系数数据输入至量化单元102，并在量化单元102中对该系数数据进行量化。可变长度编码单元103对量化后的系数数据进行可变长度编码。此外，逆量化单元104和逆DCT单元105对量化后的系数数据进行解码，并以像素为单位将逆DCT单元105的输出与宏块的像素预测值相加，并且将其转换成16×16的解码像素。将由此产生的解码像素输入至帧内预测单元107。帧内预测单元107生成之后要编码的周围的宏块的像素预测值。

接着，将说明通过帧之间的预测对帧间编码宏块进行的编码。运动估计单元109在要编码的当前块(运动补偿的单位块)和基准帧像素之间进行匹配处理，由此算出误差最小的向量值。基于运动估计结果，计算帧间预测单元108输出的要编码的宏块的像素预测值与视频信号中要编码的宏块的像素值之间的差值，并将该差值输入至DCT单元101。后续处理与帧内编码宏块编码基本相同。以像素为单位将在逆DCT单元105中解码后的系数与宏块的像素预测值相加。将由此产生的解码像素通过解块滤波器单元106输入至帧间预测单元108，从而减轻视觉块失真。

速率控制器110计算量化单元102中要使用的量化参数。速率控制器110针对各帧确定量化参数，以使得实际比特率可以为指定速率的90％。

图2是速率控制器110中计算量化参数的方法的流程图。

在步骤S201中，速率控制器110获取基准量化参数(base qp)作为对要编码的帧进行量化要使用的量化参数。根据本实施例，通过对先前GOP(group of pictures，画面组)编码时使用的量化参数进行平均来获取基准量化参数。

接着，在步骤S202中，速率控制器110判断量化单元102要进行量化的帧是帧内编码帧还是帧间编码帧。如果该帧是帧内编码帧，则处理进入步骤S203。如果该帧是帧间编码帧，则处理进入步骤S204。

接着，在步骤S203中，速率控制器110将在步骤S201中获取的基准量化参数设置为对要编码的帧进行量化要使用的量化参数。

在步骤S204中，速率控制器110计算速率控制精度r(n)。速率控制精度r(n)是直到当前正在编码的GOP内的第n个帧的速率的评价值，并且是实际比特率相对于指定速率的比例。如果r(n)＝100，则实际比特率等于指定速率。如果r(n)＞100，则实际比特率高于指定速率。如果r(n)＜100，则实际比特率低于指定速率。

例如，在指定速率是接近于解码器中的缓冲量的最大值的值的情况下、并且当GOP的速率控制精度超过100时，解码器的缓冲很可能溢出。因而，将速率控制精度控制为等于或低于100，这很重要。相反，如果GOP的速率控制精度过低，则以所分配的速率或更低的速率进行编码，从而影响了图像质量。因此，将速率控制精度控制为在100以下尽可能高的值，这很重要。

通过以下计算速率控制精度r(n)：

表达式1

$r\left(n\right)=\frac{\underset{k=i\left(n\right)-1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{frame}\_\mathrm{byte}\left(k\right)}{\mathrm{gop}\_\mathrm{byte}(n-1)-\mathrm{frame}\_\mathrm{byte}\left(i\left(n\right)\right)}\×100$

其中，如果n-1＝i(n)，则r(n)＝100。

表达式2

$\mathrm{gop}\_\mathrm{byte}\left(n\right)=\frac{t\arg \mathrm{et}\_\mathrm{bit}\_\mathrm{rate}\×\mathrm{size}\_\mathrm{gop}\left(n\right)}{8\×\mathrm{frame}\_\mathrm{rate}}$

以下将说明表达式1、2中的变量。target_bit_rate是预先指定的速率(bps)。frame_rate是视频帧速率。size_gop(n)是包含要编码的帧(第n帧)的GOP的帧数，并且在对固定的GOP进行编码的情况下size_gop(n)为常数。i(n)是第n帧的紧前的帧内编码帧(在第n帧是帧内编码帧的情况下为该帧内编码帧本身)的帧编号。frame_byte(n)是以字节表示的第n帧的实际帧大小。gop_byte(n)是以字节表示的、包括第n帧的、根据指定速率计算出的目标GOP的大小。

换言之，速率控制精度r(n)表示通过将从第(i(n)-1)帧到第(n-1)帧的总的实际帧大小相对于总的目标帧大小的比例乘以100所得的帧间编码帧速率控制精度。紧挨帧内编码帧之后的速率控制精度r(n)尚未经过帧间编码，并且难以计算该速率控制精度。因而，为了简便，假定为r(n)＝100。

接着，在步骤S205中，速率控制器110对在步骤S204中计算出的r(n)进行阈值判断。如果r(n)等于或高于85并且等于或低于95，则处理进入S206。如果r(n)高于95，则处理进入S207。如果r(n)低于85，则处理进入S209。

在步骤S206中，速率控制器110将在步骤S201中获取到的基准量化参数设置为所输入的帧的量化参数。

在步骤S207中，速率控制器110通过使用以下来计算其值相对于基准量化参数(base_qp)增大的暂时量化参数qpt(n)。

表达式3

qp₁(n)＝(r(n)-95)/10+base_qp

在步骤S208中，速率控制器110进行以下的剪切函数(clip function)处理以计算量化参数qpt(n)：如果qpt(n)的值低于0或者高于51，则该剪切函数处理返回0和51，并且针对其它值，该剪切函数处理照原样返回qpt(n)。

表达式4

qp(n)＝CLIP(0，51，qp₁(n))

在步骤S209中，速率控制器110通过使用以下来计算其值相对于基准量化参数(base_qp)减小的暂时量化参数qpt(n)。

表达式5

qp₁(n)＝(r(n)-85)/10+base_qp

速率控制器110通过按照以上的流程进行的速率控制可以将速率控制精度r(n)保持在变化抑制区间(85≤r(n)≤95)内，并且使得可以抑制qp(n)相对于基准量化参数的变化。图3示出该处理如何抑制量化参数的变化。

因而，根据本实施例，可以抑制量化噪声闪烁。根据本实施例，为了进行控制以使得实际比特率可以为指定速率的90％，将变化抑制区间设置为90附近。然而，如果实际比特率可以以可接受的误差范围超过指定速率，则可以将变化抑制区间控制为100附近。

根据本实施例，基准量化参数是包含要编码的帧的GOP的先前GOP的量化参数。然而，例如，在两遍(2-pass)编码时，使用基于在第一遍时获取到的编码信息所计算出的量化参数。通常，认为两遍编码时计算出的基准量化参数的速率控制精度高。然而，例如，在H.264技术中也以0～51的低精度控制量化参数，由于以0～51的粗略精度控制量化参数，因此难以针对多个帧保持同一量化参数并同时保持速率控制精度等于100。由于该原因，必须以帧为单位控制量化参数。然而，当控制量化参数时，参数值变化，从而发生量化噪声的闪烁。因此，根据本实施例对量化参数的变化的抑制是有效的。

根据本实施例，以帧为单位控制量化参数，并且例如利用相等的量化参数来对帧内编码的块进行编码。然而，本发明不限于以帧为单位的控制，并且可以以块为单位进行控制。在这种情况下，以块为单位来计算速率控制精度r(n)。

在已经说明了以等间隔插入帧内编码帧的情况下，根据本实施例的处理可以检测到场景变化帧，并将该场景变化帧作为帧内编码帧来处理。如上所述，当假定GOP是从帧内编码帧到下一帧内编码帧的紧前帧的集合时，除了根据场景变化检测的位置来调整gop_byte(n)和size_gop(n)以外，速率控制器110所进行的基本流程相同。

本实施例的变化抑制区间不限于表达式3中的恒定值，并且如果可以在预定范围内抑制量化参数的变化，则例如可以通过以下来提供同等效果。

表达式6

$\mathrm{qp}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}(r\left(n\right)-100)/10+\mathrm{base}\_\mathrm{qp}+0.5& r\left(n\right)>100\\ (r\left(n\right)-90)/20+\mathrm{base}\_\mathrm{qp}& 80\&le;r\left(n\right)\&le;100\\ (r\left(n\right)-80)/10+\mathrm{base}\_\mathrm{qp}-0.5& r\left(n\right)<80\end{array}\right.$

根据本实施例，使用H.264来进行编码。然而，本发明不限于此，并且可以使用诸如MPEG-2等的其它运动图片编码方法。在已经说明了使用I帧和P帧的方法的情况下，本发明还可应用于使用B帧的方法。

在根据本实施例已经说明了计算速率控制精度作为帧间编码帧的速率控制精度的情况下，本发明不限于此。可以通过进一步计算帧内编码帧的大小来提供相同的效果。

第二实施例

根据本实施例，进一步对根据第一实施例的量化参数进行校正。

图4是本实施例的速率控制器110中计算量化参数的方法的流程图。在该流程图中，步骤S201～S208与根据第一实施例的图2的流程图中的步骤S201～S208相同。在步骤S401中，速率控制器110通过使用以下来校正在步骤S204中计算出的量化参数qp(n)。

表达式7

${\mathrm{qp}}_1\left(n\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}q{p}_1(n-i)\right)/8+\mathrm{qp}\left(n\right)/2$

使用表达式7的校正可以进一步使量化参数的变化平滑化，并且可以抑制中长期的变化。

第三实施例

根据本实施例，根据第一实施例的量化参数计算方法还包括根据从第n帧内编码帧起的帧数来改变变化抑制方法的步骤。

图5是本实施例的速率控制器110中的量化参数计算方法的流程图。在该流程图中，步骤S201～S204与根据第一实施例的图2的流程图中的步骤S201～S204相同。

在步骤S501中，速率控制器110判断r(n)是否高于85。如果r(n)高于85，则处理进入步骤S502。如果r(n)低于或等于85，则处理进入步骤S507。

在步骤S502中，速率控制器110计算变化抑制区间的上限值L。当从帧内编码帧到要编码的帧的帧数少时，上限值L增大。通过使用以下来进行该计算。

表达式8

$L=\left\{\begin{array}{cc}150& N_{\mathrm{gop}}\left(n\right)\&le;3\\ 95& N_{\mathrm{gop}}\left(n\right)>3\end{array}\right.$

在步骤S503中，速率控制器110判断r(n)是否低于或等于变化抑制区间的上限值L。如果r(n)低于或等于L，则处理进入步骤S504。如果r(n)高于L，则处理进入步骤S505。

在步骤S504中，速率控制器110将在步骤S201中获取到的基准量化参数设置为所输入的帧的量化参数。

在步骤S505中，速率控制器110通过使用以下来计算其值相对于基准量化参数base_qp增大的暂时量化参数qpt(n)。

表达式9

qp₁(n)＝(r(n)-L)/10+base_qp

在步骤S 506中，速率控制器110进行与第一实施例的步骤S208的剪切函数处理相同的剪切函数处理，以计算量化参数qpt(n)。

在步骤S507中，速率控制器110通过使用以下来计算其值相对于基准量化参数base_qp减小的暂时量化参数qpt(n)。

表达式10

qp₁(n)＝(r(n)-85)/10+base_qp

与帧内编码帧之后更多帧(诸如从帧内编码帧起三帧后的帧等)的r(n)的值相比，紧挨在帧内编码帧之后的帧(诸如从帧内编码帧起三帧以下的帧等)的r(n)的值更经常变化。这是由于用于速率控制精度的计算的帧速率的样本数较少所引起的。因此，对于紧挨在帧内编码帧之后的帧(根据本实施例的预定三帧)，扩展量化参数变化抑制区间以抑制量化参数的不必要的变化。在量化参数的变化收敛之后(根据本实施例的预定三帧的后续的帧)，使控制恢复到正常的变化抑制区间。

尽管根据本实施例仅控制变化抑制区间的上限值，但本发明不限于此。可以控制下限值。

第四实施例

根据前述实施例，已经说明了图1所示的设备的各组件均是由硬件配置成的。然而，可以利用计算机程序来配置这些组件。在这种情况下，具有存储这些计算机程序的存储器、执行该存储器中存储的这些计算机程序的CPU的计算机可应用于根据前述实施例的编码设备。

图6是示出可应用于根据前述实施例中的任一实施例的编码设备的计算机的硬件结构示例的框图。

CPU 601通过使用RAM 602或ROM 603中存储的计算机程序或数据来控制整体计算机，并且进行根据这些实施例中的任一实施例的编码设备要进行的所述的处理。换言之，CPU 601用作图1中的组件101～110。

RAM 602具有用于暂时存储从外部存储装置606载入的计算机程序或数据和/或通过接口(I/F)609从外部获取的数据的区域。此外，RAM 602具有CPU 601进行处理要使用的工作区域。换言之，RAM 602可被分配作为帧存储器，或者可以根据需要提供其它区域。

ROM 603存储计算机用的设置数据和/或引导程序。例如，操作单元604包括键盘和/或鼠标，并且计算机的用户操作该操作单元604以向CPU 601输入指示。显示单元605显示CPU 601的处理结果。例如，显示单元605可以是诸如液晶显示器等的保持型显示装置、或者诸如场发射型显示装置等的脉冲型显示装置。

外部存储装置606是诸如硬盘驱动器等的大容量信息存储装置。外部存储装置606可以存储操作系统(OS)和/或用于使CPU 601实现图1所示的各组件的功能和图2所示的流程的计算机程序。外部存储装置606还可以存储要处理的图像数据。

在CPU 601的控制下，根据需要将外部存储装置606中存储的计算机程序和/或数据载入RAM 602，并且CPU 601要处理该计算机程序和/或数据。可以将诸如LAN和因特网等的网络和/或其它设备连接至I/F 607。计算机可以通过I/F 607接收并发送各种信息。总线608连接以上所述的各组件。

通过主要由CPU 301进行流程图所述的操作来实现该结构中的操作。

其它实施例

本发明可应用于包括(诸如主计算机、接口装置、读取器和打印机等的)多个设备的系统、或者包括(诸如复印机、传真机等的)一个装置的设备。

根据本发明，向系统供给记录有实现前述功能的计算机程序的代码的存储介质，并且该系统读取该计算机程序的代码。在这种情况下，从存储介质读取的计算机程序的代码本身实现了这些实施例中的任一实施例的功能。存储有计算机程序的代码的存储介质包括于本发明中。本发明还包括以下情况：例如在计算机上运行的操作系统(OS)基于程序的代码的指示进行实际处理的一部分或全部，并且该处理实现了前述功能。

此外，还可以实现以下实施例。即，将从存储介质读取的计算机程序代码写入插入至计算机的功能扩展卡、或者连接至计算机的功能扩展单元中包括的存储器。本发明还包括以下情况：功能扩展卡或功能扩展单元中包括的CPU基于计算机程序的代码的指示进行实际处理的一部分或全部，并且该处理实现了前述功能。

当将本发明应用于前述存储介质时，该存储介质存储与前述流程图相对应的计算机程序的代码。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。

Claims (7)

1.一种编码设备用的控制方法，所述编码设备进行比特率控制，所述控制方法包括以下步骤：

获取步骤，用于获取第一量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；

第一计算步骤，用于根据预设速率和实际编码后的速率控制单位的速率计算评价值；

第一设置步骤，用于如果所述评价值在预定范围内，则将通过所述获取步骤获取的第一量化参数设置为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；以及

第二设置步骤，用于如果所述评价值不在所述预定范围内，则基于计算出的评价值设置第二量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，如果所述评价值高于所述预定范围的上限值，则所述第二设置步骤以所述第二量化参数比所述第一量化参数高的方式计算所述第二量化参数。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，如果所述评价值低于所述预定范围的下限值，则所述第二设置步骤以所述第二量化参数比所述第一量化参数低的方式计算所述第二量化参数。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一计算步骤计算实际编码后的速率控制单位的速率相对于预设速率的比例。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于要编码的帧与紧挨该要编码的帧之前的帧内编码帧之间的帧的数量，设置所述预定范围的上限值或下限值。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，如果要编码的帧与紧挨该要编码的帧之前的帧内编码帧之间的帧的数量低于或等于预定数量，则以扩展所述预定范围的方式设置所述上限值或下限值。

7.一种编码设备，其进行比特率控制，所述编码设备包括：

获取单元，用于获取第一量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；

第一计算单元，用于根据预设速率和实际编码后的速率控制单位的速率计算评价值；

第一设置单元，用于如果所述评价值在预定范围内，则将所述获取单元获取的第一量化参数设置为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数；以及

第二设置单元，用于如果所述评价值不在所述预定范围内，则基于计算出的评价值设置第二量化参数作为对速率控制单位进行量化要使用的量化参数。

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