CN107197266B - 一种hdr视频编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HDR视频编码方法。它具体包括如下步骤：(1)视频源数据通过常规的码率控制获得量化参数；(2)视频源数据通过电光转换获得当前编码单元在HDR显示设备上的对比敏感度；(3)通过步骤(1)中的量化参数以及步骤(2)中的对比敏感度获得当前编码单元的量化参数，并对视频源数据进行量化。本发明的有益效果是：较准确地反应出人眼在HDR显示设备上观看视频时由亮度对比产生的不同敏感程度；使HDR视频中人眼比较敏感的对比敏感度较大的区域的细节保留地更加完整，提高了细节保留的完整度。

Description

一种HDR视频编码方法
技术领域
本发明涉及视频编码技术相关技术领域，尤其是指一种HDR视频编码方法。
背景技术
随着视频处理技术的快速发展，4K和HDR(High Dynamic Range，高动态范围)等技术逐步成为人们对视觉体验的新需求。相比于传统SDR(Standard Dynamic Range，标准动态范围)视频，HDR视频能够呈现出更广的亮度和更多的颜色，高光的时候不会过曝，暗调的时候不会欠曝，更好地反映真实环境中的视觉效果。
HDR视频从拍摄到呈现给观众主要经过以下四个步骤：
(1)拍摄采集：用HDR摄像机拍摄采集成具有若干帧图像的HDR视频；
(2)预处理：该阶段可以对视频数据进行去噪、调整尺寸等；
(3)编码压缩：对视频数据进行编码压缩，生成压缩视频流；
(4)解码观看：用户利用HDR显示设备的解码芯片将视频流解码成若干帧图像，进行观看。
编码压缩过程对于HDR技术至关重要，以往SDR视频中，一个像素的亮度值可以用8个bit表示，而HDR中一个像素的亮度值需要用10个bit来表示，虽然它所能表示的亮度范围更加广泛，但是数据量也大大增加了；另外，由于HDR视频包含了更多的图像细节，需要用更多的比特数来描述视频内容，如何提升编码压缩效率，减少数据量是HDR应用推广的关键技术。现有HDR编码采用的是原H.265/HEVC(High Efficiency Video Coding)对于SDR视频编码的方案，没有考虑到HDR视频的高亮度和高色域等特性。
视频编码中一个重要的环节是码率控制，它通过可利用带宽和视频帧内容的复杂度来计算各帧和各帧中所有的图像编码单元，码率控制算法包括三层：GOP(Group ofPicture，图像组)层码率控制、帧层码率控制和CU(Coding Unit，编码单元)层码率控制，HDR视频编码器将一个视频分为多个GOP，每个GOP包含多帧，其中：GOP层码率控制根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；帧层码率控制将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据各帧的复杂度计算各帧的目标码率，并进一步计算出QP(QuantizationParameter，量化参数)；CU层码率控制将一帧分成多个CU，根据前一帧中对应CU的复杂度来预测当前CU的复杂度并确定当前CU的目标码率，并进一步计算出QP，利用QP对图像数据进行量化压缩。
QP大小反映了空间细节压缩情况。若QP越小，大部分的细节都会被保留；若QP越大，细节则容易丢失。因此，一帧中各个CU的QP大小通常由该CU的纹理复杂度所决定，如果纹理越复杂，需要保留的细节越多，则将QP设置越小，反之则将QP设置越大。
对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮和最暗之间不同亮度层级的测量。而人眼分辨不同对比度的能力称之为对比敏感度，它与对比度成反比。当对比度越小时，人眼越敏感，当对比度越大时，人眼越不敏感。但是该对比敏感度的值是在真实的显示设备上通过主观实验而得出，而并非编码亮度。部分编码算法直接将显示亮度做为编码亮度来指导编码，这样是不正确的，因此，需要将编码亮度这种电信号转换为显示亮度这种光信号才能准确地衡量对比敏感度。HDR视频亮度范围和色度范围大，一帧图像内不同区域的对比度会出现较明显的差异。
在电信号转光信号的方案中，Dolby Vision提出的感知量化(PerceptualQuantizer，PQ)模型已经成为SMPTE ST2084标准，其理论依据是人类视觉系统存在掩蔽效应，当某一个信号的失真不超过某一阈值时，不会被人眼所察觉，该阈值称之为恰可察觉失真(Just Noticeable Distortion，JND)阈值。感知量化模型认为JND阈值随着亮度的变化呈一定的关系，低亮度区域该阈值较大，高亮度区域该阈值则较小。
现有编码算法试图用对比敏感度调节编码的码率分配，直接将显示亮度做为编码亮度来衡量对比敏感度，这样不能正确反应人眼在显示设备上观看视频时由不同亮度对比产生的视觉差异。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种提高细节保留完整度的HDR视频编码方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种HDR视频编码方法，具体包括如下步骤：
(1)视频源数据通过常规的码率控制获得量化参数；
(2)视频源数据通过电光转换获得当前编码单元在HDR显示设备上的对比敏感度；
(3)通过步骤(1)中的量化参数以及步骤(2)中的对比敏感度获得当前编码单元的量化参数，并对视频源数据进行量化。
本发明将编码亮度这种电信号转换为显示亮度这种光信号，较准确地反应出人眼在HDR显示设备上观看视频时由亮度对比产生的不同敏感程度；将一帧中各个编码单元的对比敏感度相对于该帧的平均对比敏感度来调节各个编码单元的量化参数，使越敏感的区域的细节保留的更完整；从而使HDR视频中人眼比较敏感的对比敏感度较大的区域的细节保留地更加完整，提高了细节保留的完整度。
作为优选，在步骤(2)中，当前编码单元的对比敏感度获取如下：
(a)当前编码单元中的显示亮度通过感知量化模型转换而来：
Figure BDA0001332582880000041
其中，V(i)是当前编码单元中第i个像素的编码亮度，c1、c2、c3的值分别为0.835、18.851、18.687，m和n的值分别为78.843和0.159；
(b)根据当前编码单元中的显示亮度L(i)获得当前编码单元中的最大显示亮度Lmax和最小显示亮度Lmin；
(c)根据当前编码单元中的最大显示亮度和最小显示亮度，获得当前编码单元的对比度敏感度：
Figure BDA0001332582880000042
作为优选，在步骤(3)中，具体操作步骤如下：
(i)获取当前编码单元相对于当前帧的敏感度w，若当前编码单元越敏感，则使量化参数越小，反之则量化参数越大，w的求取方式为：
Figure BDA0001332582880000051
其中：a＝0.7，b＝0.6，m＝0，n＝1，c＝4，
Figure BDA0001332582880000052
表示当前帧的平均对比敏感度；
(ii)获取当前编码单元的量化参数为：
Figure BDA0001332582880000053
其中：QPr表示步骤(1)中通过常规的码率控制计算出的量化参数。
本发明的有益效果是：较准确地反应出人眼在HDR显示设备上观看视频时由亮度对比产生的不同敏感程度；使HDR视频中人眼比较敏感的对比敏感度较大的区域的细节保留地更加完整，提高了细节保留的完整度。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所述的实施例中，一种HDR视频编码方法，具体包括如下步骤：
(1)视频源数据通过常规的码率控制获得量化参数；
(2)视频源数据通过电光转换获得当前编码单元在HDR显示设备上的对比敏感度；其中：当前编码单元的对比敏感度获取如下：
(a)当前编码单元中的显示亮度通过感知量化模型转换而来：
Figure BDA0001332582880000054
其中，V(i)是当前编码单元中第i个像素的编码亮度，c1、c2、c3的值分别为0.835、18.851、18.687，m和n的值分别为78.843和0.159；
(b)根据当前编码单元中的显示亮度L(i)获得当前编码单元中的最大显示亮度Lmax和最小显示亮度Lmin；
(c)根据当前编码单元中的最大显示亮度和最小显示亮度，获得当前编码单元的对比度敏感度：
Figure BDA0001332582880000061
(3)通过步骤(1)中的量化参数以及步骤(2)中的对比敏感度获得当前编码单元的量化参数，并对视频源数据进行量化；其中：具体操作步骤如下：
(i)获取当前编码单元相对于当前帧的敏感度w，若当前编码单元越敏感，则使量化参数越小，反之则量化参数越大，w的求取方式为：
Figure BDA0001332582880000062
其中：a＝0.7，b＝0.6，m＝0，n＝1，c＝4，
Figure BDA0001332582880000063
表示当前帧的平均对比敏感度；
(ii)获取当前编码单元的量化参数为：
Figure BDA0001332582880000064
其中：QPr表示步骤(1)中通过常规的码率控制计算出的量化参数。
本发明将编码亮度这种电信号转换为显示亮度这种光信号，较准确地反应出人眼在HDR显示设备上观看视频时由亮度对比产生的不同敏感程度；将一帧中各个编码单元的对比敏感度相对于该帧的平均对比敏感度来调节各个编码单元的量化参数，使越敏感的区域的细节保留的更完整；从而使HDR视频中人眼比较敏感的对比敏感度较大的区域的细节保留地更加完整，提高了细节保留的完整度。

Claims (1)

1.一种HDR视频编码方法，其特征是，具体包括如下步骤：
(1)视频源数据通过常规的码率控制获得量化参数；
(2)视频源数据通过对比敏感度检测获得当前编码单元的对比敏感度；
当前编码单元的对比敏感度获取如下：
(a)当前编码单元中的显示亮度通过感知量化模型转换而来：
Figure FDA0002171576020000011
其中，V(i)是当前编码单元中第i个像素的编码亮度，c1、c2、c3的值分别为0.835、18.851、18.687，m和n的值分别为78.843和0.159；
(b)根据当前编码单元中的显示亮度L(i)获得当前编码单元中的最大显示亮度Lmax和最小显示亮度Lmin；
(c)根据当前编码单元中的最大显示亮度和最小显示亮度，获得当前编码单元的对比度敏感度：
Figure FDA0002171576020000012
(3)通过步骤(1)中的量化参数以及步骤(2)中的对比敏感度获得当前编码单元的量化参数，并对视频源数据进行量化；
具体操作步骤如下：
(i)获取当前编码单元相对于当前帧的敏感度w，若当前编码单元越敏感，则使量化参数越小，反之则量化参数越大，w的求取方式为：
Figure FDA0002171576020000013
其中：a＝0.7，b＝0.6，m＝0，n＝1，c＝4，
Figure FDA0002171576020000014
表示当前帧的平均对比敏感度；
(ii)获取当前编码单元的量化参数为：
Figure FDA0002171576020000021
其中：QPr表示步骤(1)中通过常规的码率控制计算出的量化参数。
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