CN104469367B - 基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，在编码器对每帧视频内容编码结束后，根据该帧产生的比特数、所使用的量化参数、缓冲区状态和累计多消耗的比特数的信息，判断是否需要跳过对下一帧的编码，如果确定下一帧需要编码，计算下一帧的目标比特数，继而通过一定方法计算出编码下一帧应使用的量化参数，对下一帧进行编码，比传统的码率·QP模型，准确可靠，从而保证视频编码器输出码率和信道带宽相匹配，保证编码质量，具有良好的应用前景。

Description

基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，属于视频编码技术领域。

背景技术

在视频通信、视频流媒体直播等多种多媒体应用中，码率控制都是非常关键的一个模块。它被用来使编码器产生的比特率和信道带宽相匹配，并在此基础上尽量保证图像失真最小，因此，码率控制主要受到信道带宽条件和视频内容两方面的制约，具体如下，

一方面，信道传输带宽通常不是恒定的，尤其对于无线3G信道，其的网络带宽通常是时变的，这便要求编码器能够及时根据实时带宽的变化实时来调节输出视频的码率；

另一方面，视频的内容也千变万化，根据信息论，纹理丰富、运动剧烈的视频内容所携带的信息量比较大，编码所需的比特数也相应较多；反之，对于纹理平坦、运动简单的视频内容，编码所需的比特数也相应较少。

因此，编码器要根据目标比特率和视频内容的复杂性，及时调整编码策略，以保证编码出的比特流和信道带宽相匹配。在实时视频通信应用中，如果无法做到精确的码率控制，将可能出现编出的实际码率大于信道承受能力的情况，后果是视频图像的传输延时大大增加，或者发生丢包导致对方无法正确解码，严重者，整个通信应用将瘫痪。

目前，码率的控制过程可以分为两步进行：第一步为位分配，即根据目标码率以及缓冲区状态，为每一帧图像分配一定的比特数；第二步通过调整量化参数使得编码该帧图像所用的比特数接近分配给该帧的比特数，从而达到目标码率，通常可以在宏块(macroblock)、组块(slice)或帧级(frame)进行量化参数调整以产生所需要的编码码流，典型算法包括如MPEG-2的TM5[TM 94]，H.263的TMN8[Corbera 97]，MPEG-4的VM8[Lee 00]等。

但是，以上算法大多不适用于实时通信应用，它们都没有丢帧逻辑。比如，在视频通信中，如果场景急剧发生变化，即时码率会发生陡增，导致传输缓冲内容也急剧增加，这时需要跳过一些帧以保证较低的传输延时；另一方面，实际应用中，通常有最低画质要求，在上述情景下，如果不丢帧，即使以最低画质编码，也无法达到目标码率。

发明内容

本发明的目的克服现有的视频码率控制过程，使用的典型算法，没有丢帧逻辑，不适用于实时通信应用，无法达到目标码率的问题。本发明的基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，比传统的码率-QP模型，准确可靠，保证视频编码器输出码率和信道带宽相匹配，保证编码质量，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，

一种基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，启动编码器，对码率控制模块初始化；

步骤(2)，在编码器对每帧视频内容编码结束后，计算本帧编码产生的实际比特数CurrentBits和平均量化参数QPcurrent，若本帧被跳过没有进行编码，则其的实际比特数CurrentBits＝0；

步骤(3)，根据公式(1)、(2)实时更新码率控制模块内的缓冲区状态、累计超出目标码率的总比特数，

Bufferlevel＝Bufferlevel0+CurrentBits-AverageBits (1)

OverBits＝OverBits0+CurrentBits-AverageBits (2)

其中，Bufferlevel为码率控制模块内缓冲区的当前状态、Bufferlevel0为码率控制模块内缓冲区的前一状态、OverBits为当前累计超出目标码率的总比特数、OverBits0为前一累计超出目标码率的总比特数、AverageBit为每帧的平均比特数，信道码率除以视频帧率得到；

步骤(4)，根据计算码率控制模块内缓冲区的当前状态Bufferlevel，判断是否需要对下一帧进行编码，若Bufferlevel大于缓冲区的上溢阈值，则跳过下一帧的编码，进入步骤(2)；否则，进入步骤(5)-步骤(7)；

步骤(5)，根据公式(3)，计算下一帧的目标比特数TargetBits，

TargetBits＝(AverageBits*Windowsize-OverBits)/Windowsize (3)

其中，Windowsize为码率控制模块的平滑窗宽度；

步骤(6)，根据公式(4)，计算下一帧的编码参数QP

QP＝QPcurrent+ΔQP (4)，

其中，ΔQP为下一帧编码参数QP与当前QP的差值，根据公式(5)得到，

ΔQP＝((log(TargetBits)-log(CurrentBits))*α (5)

其中，α系数控制码率控制的灵敏度，在-5.0～-1.0之间；

步骤(7)，根据步骤(6)计算的下一帧编码参数QP，对下一帧进行编码后，返回步骤(2)。

前述的基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，其特征在于：所述缓冲区的上溢阈值为Threshold，根据公式(6)得到，

Threshold＝Windowsize*AverageBits (6)

其中，Windowsize＝视频帧率除以A，A常数系数在0～10之间，A越大，码率平滑要求越严格。

本发明的有益效果是：本发明的基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，在编码器对每帧视频内容编码结束后，根据该帧产生的比特数、所使用的量化参数、缓冲区状态和累计多消耗的比特数的信息，判断是否需要跳过对下一帧的编码，如果确定下一帧需要编码，计算下一帧的目标比特数，继而通过一定方法计算出编码下一帧应使用的量化参数，对下一帧进行编码，比传统的码率-QP模型，准确可靠，从而保证视频编码器输出码率和信道带宽相匹配，保证编码质量，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，在编码器对每帧视频内容编码结束后，根据该帧产生的比特数、所使用的量化参数、缓冲区状态和累计多消耗的比特数的信息，判断是否需要跳过对下一帧的编码，如果确定下一帧需要编码，计算下一帧的目标比特数，继而通过一定方法计算出编码下一帧应使用的量化参数，对下一帧进行编码，比传统的码率-QP模型，准确可靠，从而保证视频编码器输出码率和信道带宽相匹配，保证编码质量，如图l所示，具体包括以下步骤，

步骤(1)，启动编码器，对码率控制模块初始化，包括

每帧的平均比特数AverageBits＝信道码率/视频帧率；

累计超出目标码率的总比特数OverBits＝0；

码率控制模块内的缓冲区状态Bufferlevel＝AverageBits；

码率控制模块的平滑窗宽度，Windowsize＝视频帧率/A，A常数系数在0～10之间，A越大，码率平滑要求越严格；

缓冲区的上溢阈值阈值Threshold，根据公式(6)得到，

Threshold＝Windowsize*AverageBits (6)；

步骤(2)，在编码器对每帧视频内容编码结束后，计算本帧编码产生的实际比特数CurrentBits和平均量化参数QPcurrent，若本帧被跳过没有进行编码，则其的实际比特数CurrentBits＝0；

步骤(3)，根据公式(1)、(2)实时更新码率控制模块内的缓冲区状态、累计超出目标码率的总比特数，

Bufferlevel＝Bufferlevel0+CurrentBits-AverageBits (1)

OverBits＝OverBits0+CurrentBits-AverageBits (2)

Bufferlevel为码率控制模块内缓冲区的当前状态、Bufferlevel0为码率控制模块内缓冲区的前一状态、OverBits为当前累计超出目标码率的总比特数、OverBits0为前一累计超出目标码率的总比特数、AverageBit为每帧的平均比特数，信道码率除以视频帧率得到；

步骤(4)，根据计算码率控制模块内缓冲区的当前状态Bufferlevel，判断是否需要对下一帧进行编码，若Bufferlevel大于缓冲区的上溢阈值，则跳过下一帧的编码，返回步骤(2)；否则，进入步骤(5)-步骤(7)；

步骤(5)，根据公式(3)，计算下一帧的目标比特数TargetBits，

TargetBits＝(AverageBits*Windowsize-OverBits)/Windowsize (3)

其中，Windowsize为码率控制模块的平滑窗宽度；

步骤(6)，根据公式(4)，计算下一帧的编码参数QP

QP＝QPcurrent+ΔQP (4)，

其中，ΔQP为下一帧编码参数QP与当前QP的差值，根据公式(5)得到，

ΔQP＝((log(TargetBits)-log(CurrentBits))*α

其中，α系数控制码率控制的灵敏度，在-5.0～-1.0之间；

步骤(7)，根据步骤(6)计算的下一帧编码参数QP，对下一帧进行编码后，返回步骤(2)。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于丢帧和量化参数调整的视频码率控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，启动编码器，对码率控制模块初始化；

步骤(2)，在编码器对每帧视频内容编码结束后，计算本帧编码产生的实际比特数CurrentBits和平均量化参数QPcurrent，若本帧被跳过没有进行编码，则其的实际比特数CurrentBits＝0；

步骤(3)，根据公式(1)、(2)实时更新码率控制模块内的缓冲区状态、累计超出目标码率的总比特数，

Bufferlevel＝Bufferlevel0+CurrentBits–AverageBits(1)

OverBits＝OverBits0+CurrentBits–AverageBits(2)

其中，Bufferlevel为码率控制模块内缓冲区的当前状态、Bufferlevel0为码率控制模块内缓冲区的前一状态、OverBits为当前累计超出目标码率的总比特数、OverBits0为前一累计超出目标码率的总比特数、AverageBit为每帧的平均比特数，AverageBit通过信道码率除以视频帧率得到；

步骤(4)，根据计算码率控制模块内缓冲区的当前状态Bufferlevel，判断是否需要对下一帧进行编码，若Bufferlevel大于缓冲区的上溢阈值，则跳过下一帧的编码，进入步骤(2)；否则，进入步骤(5)-步骤(7)；

步骤(5)，根据公式(3)，计算下一帧的目标比特数TargetBits，TargetBits＝(AverageBits*Windowsize–OverBits)/Windowsize(3)

其中，Windowsize为码率控制模块的平滑窗宽度；

步骤(6)，根据公式(4)，计算下一帧的编码参数QP

QP＝QPcurrent+ΔQP (4)，

其中，ΔQP为下一帧编码参数QP与当前QP的差值，根据公式(5)得到，

ΔQP＝((log(TargetBits)-log(CurrentBits))*α (5)

其中，α系数控制码率控制的灵敏度，在-5.0～-1.0之间；

步骤(7)，根据步骤(6)计算的下一帧编码参数QP，对下一帧进行编码后，返回步骤(2)，

所述缓冲区的上溢阈值为Threshold，根据公式(6)得到，

Threshold＝Windowsize*AverageBits (6)

其中，Windowsize＝视频帧率除以A，A常数系数在0～10之间，A越大，码率平滑要求越严格。