CN103945222B - 一种基于hevc视频编码标准的码率控制模型更新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法，针对不同视频序列特征，按如下方法自适应调整码率控制模型的α参数和β参数：码率控制模型α参数的更新方法：；码率控制模型β参数的更新方法：；其中α _new 为更新后的α参数，β _new 为更新后的β参数，λ _old 为基于目标码率R获得的原λ值，R _real 为编码后的实际码率，D(R _real )表示基于实际码率编码后的视频失真。该方法能够精确更新模型参数，从而获得更精确的码率控制效果。

Description

一种基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法

技术领域

本发明涉及视频编码码率控制技术领域，特别涉及一种基于H.265/MPEG-H HEVC（High Efficiency Video Coding）视频编码标准的码率控制模型更新方法。

背景技术

在视频编码与传输应用中，新一代高性能视频编码标准H.265/MPEG-H HEVC（HighEfficiency Video Coding）由ISO-IEC/MPEG 和ITU-T/VCEG 两大国际标准化组织成立的视频编码联合开发小组(JCT-VC)开发，与H.264/AVC相比，在相同的视觉质量下，HEVC能使比特率降低一半。

作为新一代视频编码标准，HEVC仍然属于预测加变换的混合编码框架，它也包含了帧内预测、帧间预测、正交变换、量化、滤波、熵编码等编码模块，但在各个编码环节都进行了细致的优化与改进，HEVC标准编码方法如附图1所示。

在视频编码码率控制算法中，率失真R-D (Rate-Distortion)性能是需要考虑的问题。一个良好的码率控制算法可以在精确达到目标码率的同时达到尽量小的编码失真。码率控制问题可以被转化成如公式（1）所示的率失真优化问题，通过这个优化问题编码器将在编码比特数不超过目标比特数的情况下，选择使失真最小化的参数作为最优的编码参数。

（1）

其中，{Para}表示编码参数集合，包括模式、运动信息、量化参数QP等。λ 是拉格朗日乘子，表示R-D曲线的斜率绝对值。视频编码提供了很大的编码灵活性，编码器可以自由的选择各种编码参数的组合。选择不同的参数会对最终视频的编码比特率产生非常重要的影响。因此，码率控制算法会使得编码器在一些离散的合法的编码参数集合中选择合适的编码参数，进而达到目标码率。

HEVC使用双曲线模型来精确刻画编码算法中的R-D码率失真模型。如公式（2）所示，其中D表示经过压缩编码后的视频失真；R表示压缩后的比特率，以每像素消耗比特bpp(bit per pixel)为单位；C和K是和序列特性相关的模型参数，不同的视频序列C、K的取值不同。

（2）

在码率控制时，HEVC采用了一种新颖的基于R-λ 模型的λ 域码率控制算法。在这种码率控制算法中，在R-D码率失真模型的基础上通过码率R和编码使用的拉格朗日乘子λ之间建立数学关系，并利用调整λ 的方法达到所期望的目标码率。如公式（3）所示，可以通过该公式计算拉格朗日乘子λ ，其中α = CK，β = －K－1。因此α 和β 这两个参数也与序列的特性相关，不同序列具有不同的取值。

（3）

由公式（3）进一步得到码率R与λ 关系，如公式（4）所示。

（4）

由公式（4）可知码率R完全由拉格朗日乘子λ 所决定。λ 与R-D曲线的关系示意图如附图2所示。λ 是由所有实际工作点的凸包络决定的R-D曲线的斜率绝对值，码率R和拉格朗日乘子λ 之间存在着一一对应关系。由于R-D曲线是凸函数，基于某个λ 值计算最小化公式（1）等效于使用斜率绝对值为λ 值的直线去逼近R-D曲线，而此直线仅会和R-D曲线相切于一点。因此，λ 值能够决定码率R和视频失真D。

在码率控制过程中，HEVC根据缓冲区的占有情况在对每一级别的编码单元分配合适数量的比特，通常包括图片组GOP(Group of Pictures)级、图片级和基本单元级(CodingUnit)。为了达到所分配的某个目标码率R，编码器将根据公式（3）决定相关联的λ 值，并将其用于编码过程。当编码使用的λ 值确定后，所有其他的编码参数均应由率失真优化RDO(Rate-Distortion Optimization)决定。

但在公式（3）中，由于不同的序列往往拥有不同的α 和β 值，即使对于同一序列，处于不同级别的图片也可能拥有完全不相同的α 和β 。为了使α 和β 值可以随着视频序列的特性自适应更新，HEVC采用如下模型更新算法，如公式（5）、公式（6）与公式（7）所示。

（5）

（6）

（7）

这个更新算法是基于最小均方误差LMS(Least Mean Square)方法，其中α _old 和β _old 分别表示原来编码过程中使用的α 和β ；R _real 表示编码后实际的码率；λ _comp 表示基于实际码率计算所得到的λ 值；λ _real 表示原来编码时使用的λ 值；δ _α 和δ _β 分别为利用最小均方误差LMS方法进行一次迭代所使用的迭代步长；α _new 和β _new 为更新后的模型参数。

实际上，HEVC原有的算法中使用最小均方误差LMS方法更新码率控制模型参数时，其目标是使实际使用的λ _real 与计算得到的λ _comp 之间的平方误差达到最小，并以此调整α和β 值。λ _real 与λ _comp 之间平方误差如公式（8）所示。

（8）

但是由公式（5）可知，λ _comp 在计算时使用了原来模型的参数α _old 和β _old ，其本身并不能完全反映当前序列的参数特征，因此以λ _real 与λ _comp 之间平方误差来调整α 和β 值，所得到的更新模型只是近似逼近于当前视频序列的特征。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法，该方法能够精确更新模型参数，从而获得更精确的码率控制效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法，针对不同视频序列特征，按如下方法自适应调整码率控制模型的α 参数和β参数：

码率控制模型α 参数的更新方法：

；

码率控制模型β 参数的更新方法：

；

其中α _new 为更新后的α 参数，β _new 为更新后的β 参数，λ _old 为基于目标码率R获得的原λ 值，R _real 为编码后的实际码率，D(R _real )表示基于实际码率编码后的视频失真。

本发明的有益效果是能够针对不同的视频序列，精确更新模型参数，从而获得更精确的码率控制效果，特别是增强瞬间码率控制精度，提高率失真性能。

附图说明

图1是HEVC视频编码标准的结构框图。

图2是码率控制中λ 与R-D曲线的关系示意图。

图3是本发明码率控制模型更新方法示意图。

具体实施方式

本发明基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法，针对不同视频序列特征，按如下方法自适应调整码率控制模型的α 参数和β 参数：

码率控制模型α 参数的更新方法：

；

码率控制模型β 参数的更新方法：

；

其中α _new 为更新后的α 参数，β _new 为更新后的β 参数，λ _old 为基于目标码率R获得的原λ 值，R _real 为编码后的实际码率，D(R _real )表示基于实际码率的压缩编码后的视频失真。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

在码率控制过程中，参数C与K或者α = CK与β = －K－1是和视频序列特性相关的模型参数，由于这些参数估计误差，从而使经过压缩编码后所得到实际码率R _real 与目标码率R有一定的偏差。如公式（9）所示，原来编码过程中使用的参数分别为α _old 和β _old ，这两个参数与实际的序列特性有所偏离，因此基于目标码率R获得的λ 值为λ _old ：

（9）

对于一个特定的序列，不管λ 值设置是否正确，其实际的参数α _new 和β _new 只与视频内容相关，不会因此而改变，当获得的λ 值为λ _old 时，编码后的实际码率R _real 满足公式（10）：

（10）

根据公式（2）可知，对于一个确定的序列，基于实际码率编码后的视频失真D(R _real )满足公式（11），其中视频失真D(R _real )在编码过程中可通过计算直接获得：

（11）

由于α _new = CK，β _new = －K－1，得到公式（12）与公式（13）：

（12）

（13）

将公式（12）与（13）代入（11），得到公式（14）：

（14）

联立公式（10）与公式（14），得到特定序列下的模型参数α _new 和β _new ，如公式（15）与公式（16）所示：

（15）

（16）

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于HEVC视频编码标准的码率控制模型更新方法，其特征在于，针对不同视频序列特征，按如下方法自适应调整基于R-λ模型的码率控制模型的α参数和β参数：

基于R-λ模型的码率控制模型α参数的更新方法：

${\mathrm{\α}}_{new}={\mathrm{\λ}}_{old}\×{R_{real}}^{-{\mathrm{\β}}_{new}}={\mathrm{\λ}}_{old}\×{R_{real}}^{(1+\frac{{\mathrm{\λ}}_{old}\×R_{real}}{D\left(R_{real}\right)})};$

基于R-λ模型的码率控制模型β参数的更新方法：

${\mathrm{\β}}_{new}=-1-\frac{{\mathrm{\λ}}_{old}\×R_{real}}{D\left(R_{real}\right)};$

其中α_new为更新后的α参数，β_new为更新后的β参数，λ_old为基于目标码率R获得的原λ值，R_real为编码后的实际码率，D(R_real)表示基于实际码率编码后的视频失真。