CN107197267A - 高效视频编码标准量化参数的分配方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效视频编码标准量化参数的分配方法，由设置视频第一个编码帧的量化参数、确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级、确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt、确定时间1层的量化参数、确定时间2层以及更高时间层的量化参数、判断是否编码完毕步骤组成。本发明采用视频图像的背景帧差和标准差来衡量视频的运动和纹理特性，为不同内容特性视频分配最优的量化参数。实验结果表明，本发明方法不需要预编码、复杂度低，并可在同等编码质量下，进一步节省编码比特，有效地提高了视频编码性能，可用于视频编码。
Description
技术领域
本发明属于视频编码技术领域，具体涉及高效视频编码标准量化参数的分配。
背景技术
2007年随着H.264/AVC/SVC视频编码标准的发布，分级预测编码结构首次被引入，并因其高效的率失真性能而被广泛应用。目前在面向高清视频的新一代高效视频编码的测试模型(HM)中，其中一种编码结构为随机接入结构，其也属于分级预测结构。
视频编码中相邻的视频帧组成一个图像组。每个图像组(GOP)通常包含8个视频帧，每个视频帧都被分配了时间层，如图1所示，不同的标记表示处于不同时间层的帧。使用随机接入结构编码视频时，会定期的插入I帧，以实现“随机接入”的功能，所以随机接入结构主要被应用视频点播等领域。随机接入结构的编码性能与每个时间层分配的量化参数，即量化参数分配方法，密切相关。
使用随机接入结构编码时，时间层低的帧要被更高时间层的帧直接或间接参考，所以时间层越低的帧重要性越高，为保证整个视频的编码性能，低时间层的帧通常分配更小的量化参数编码。这也是目前所有针对随机接入结构提出的量化参数分配方法遵循的基本分配规则。
目前针对随机接入结构提出的量化参数分配方法通常可以用下式表示：
QPl＝QPl-1+Δl,l≥1
其中，QPl表示第l个时间层分配的量化参数，Δl表示第l个时间层与第l-1个时间层量化参数的差值。通常QP0由编码者通过配置文件在编码前设置，因此，一个优异的量化参数分配方法需要考虑设置最优的Δl,l≥1以得到最高的编码性能，这里用Δl,opt,l≥1表示最优的Δl,l≥1值。目前HM中采用的量化参数分配方法为Δl,l≥1都设置为1。由于不同的视频具有不同的内容特性，因此在设置Δl,l≥1时没有考虑视频内容特性使得目前的针对随机接入结构的量化参数分配方法在提升编码性能方面具有局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种编码效率高的高效视频编码标准量化参数的分配方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是由以下步骤组成：
(1)设置视频第一个编码帧的量化参数
输入的视频第一个编码帧为I帧、且处于随机接入编码结构的时间0层，使用编码者在编码配置文件中设定的量化参数，采用高效视频编码标准对第一帧进行编码。
(2)确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级
对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量。
(3)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
根据式(1)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
Δ1，opt＝p1+p2ln(Dv)-p3(ln(Dv))2+p4ln(σv)+p5(ln(σv))2(1)
其中，p1～p5为模型参数，p1取值为5～6，p2取值为0.1～2，p3取值为0.1～1，p4取值为0.01～1，p5取值为0.1～1。
(4)确定时间1层的量化参数
对Δ1,opt取整，将其值限制在1～10之间，如式(2)所示：
QP1＝QP0+clip3(1,10,round(Δ1,opt)) (2)
其中，QP0是第一个编码帧的量化参数，QP1是时间1层的量化参数，round(Δ1,opt)表示对Δ1,opt四舍五入取整，clip3(1,10,round(Δ1,opt))表示将round(Δ1,opt)的值限制在1～10。
(5)确定时间2层以及更高时间层的量化参数
根据视频图像组的大小及帧号来确定当前帧所处的时间层；根据式(3)确定当前帧的量化参数并编码。
QPl＝QPl-1+1,l≥2 (3)
其中，QPl是第l个时间层的量化参数。
(6)判断是否编码完毕
编码完一帧后，判断当前帧是否为编码的最后一帧，直到编码完整个视频。
在本发明的确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级步骤(2)中，纹理复杂度等级和运动等级采用式(4)和式(5)确定：
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，i、k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为能整除4的4～64个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为能整除4的4～64个像素。xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定：
其中
在本发明的确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt步骤(3)中，p1取值最佳为5.87、p2取值最佳为1.12、p3取值为0.78、p4取值最佳为0.03、p5取值最佳为0.38。
在本发明的确定视频第二个编码帧的标准差和背景帧差步骤(2)中，式(4)中的图像块最佳为正方形块，正方形块边长最佳为4个像素，式(5)中的图像块最佳为正方形块，正方形块边长最佳为16个像素。
本发明采用视频图像的背景帧差和标准差来衡量视频的运动和纹理特性，为不同内容特性视频分配最优的量化参数。实验结果表明，本发明方法不需要预编码、复杂度低，并可在同等编码质量下，进一步节省编码比特，有效地提高了视频编码性能。
附图说明
图1是高效视频编码标准的随机接入结构示意图。
图2是实施例1的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下属的实施例。
实施例1
本实施例以选用25个视频，在HM14.0上实现，按照高效视频编码标准通测条件，采用随机接入配置，GOP大小为8。时间0层的量化参数被分别设置为22、27、32、37，其它时间层的量化参数由本发明方法确定。以量化参数22为例，每个视频进行编码需经过以下步骤：
(1)设置视频第一个编码帧的量化参数
输入的视频第一个编码帧为I帧、且处于随机接入编码结构的时间0层，使用编码者在编码配置文件中设定的量化参数22，采用高效视频编码标准对第一帧进行编码；
(2)确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级
对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量，背景帧差是唯一的一种方法，在C.H.Chou,and C.W.Chen,“A perceptually optimized 3-D subbandcodec for video communication over wireless channels,”(IEEE Transactions onCircuits and Systems for Video Technology,Vol.6,No.2,pp.143-156,Apr.1996)中报道。
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。本实施例中i为2。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为4个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为16个像素；xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定；
其中
本实施例通过式(4)中的标准差和式(5)中的背景帧差来确定具有不同内容特性视频的纹理复杂度等级和运动等级。
(3)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
根据式(1)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
Δ1，opt＝p1+p2ln(Dv)-p3(ln(Dv))2+p4ln(σv)+p5(ln(σv))2 (1)
其中，p1～p5为模型参数，本实施例的p1取值为5.87、p2取值为1.12、p3取值为0.78、p4取值为0.03、p5取值为0.38。
(4)确定时间1层的量化参数
对Δ1,opt取整，将其值限制在1～10之间，如式(2)所示；
QP1＝QP0+clip3(1,10,round(Δ1,opt)) (2)
其中，QP0是第一个编码帧的量化参数，QP1是时间1层的量化参数，round(Δ1,opt)表示对Δ1,opt四舍五入取整，clip3(1,10,round(Δ1,opt))表示将round(Δ1,opt)的值限制在1～10。
由于式(1)采用标准差和背景帧差来确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt，使得通过式(2)确定的时间1层的量化参数值与视频的内容相适应。
(5)确定时间2层以及更高时间层的量化参数
根据视频图像组的大小及帧号来确定当前帧所处的时间层；根据式(3)确定当前帧的量化参数并编码；
QPl＝QPl-1+1,l≥2 (3)
其中，QPl是第l个时间层的量化参数；
(6)判断是否编码完毕
编码完一帧后，判断当前帧是否为编码的最后一帧，直到编码完整个视频。
对每个视频，通过在配置文件中设置时间0层的量化参数分别为22、27、32、37，对于每个配置文件中设置的量化参数，分别按照上述步骤获得其它时间层量化参数，并采用高效视频编码方法进行编码获得编码失真和编码比特数。
实施例2
本实施例以选用25个视频，在HM14.0上实现，按照高效视频编码标准通测条件，采用随机接入配置，GOP大小为8。时间0层的量化参数被分别设置为22、27、32、37，其它时间层的量化参数由本发明方法确定。以量化参数22为例，每个视频进行编码需经过以下步骤：
在确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级步骤(2)中，对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量；
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。本实施例中i为2。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为4个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为4个像素；xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定；
其中
在确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt步骤(3)中，根据式(1)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
Δ1，opt＝p1+p2ln(Dv)-p3(ln(Dv))2+p4ln(σv)+p5(ln(σv))2 (1)
其中，p1～p5为模型参数，p1取值为5，p2取值为0.1，p3取值为0.1，p4取值为0.01，p5取值为0.1；
其它步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例以选用25个视频，在HM14.0上实现，按照高效视频编码标准通测条件，采用随机接入配置，GOP大小为8。时间0层的量化参数被分别设置为22、27、32、37，其它时间层的量化参数由本发明方法确定。以量化参数22为例，每个视频进行编码需经过以下步骤：
在确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级步骤(2)中，对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量。
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。本实施例中i为2。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为64个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为64个像素；xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定；
其中
在确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt步骤(3)中，根据式(1)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
Δ1，opt＝p1+p2ln(Dv)-p3(ln(Dv))2+p4ln(σv)+p5(ln(σv))2 (1)
其中，p1～p5为模型参数，p1取值为6，p2取值为2，p3取值为1，p4取值为1，p5取值为1。
其它步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例以选用25个视频，在HM14.0上实现，按照高效视频编码标准通测条件，采用随机接入配置，GOP大小为8。时间0层的量化参数被分别设置为22、27、32、37，其它时间层的量化参数由本发明方法确定。以量化参数22为例，每个视频进行编码需经过以下步骤：
在确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级步骤(2)中，对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量；
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。本实施例中i为2。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为32个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为32个像素；xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定；
其中
其它步骤与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1高效视频编码标准量化参数的分配方法进行了实验，试验情况如下：
分别采用高效视频编码标准(HM14.0)和本发明中的量化参数分配方法对视频进行编码和重建。重建视频的失真采用亮度分量(Y)、色度分量(UV)的联合失真表示，如式(7)所示。
将HM14.0中的方法选择为基准方法，得到本发明中的量化参数分配方法对应的BD-rate值。
实验结果如表1所示。
表1发明方法的实例测试结果
| Videos | BD-rate(YUV) | Videos | BD-rate(YUV) |
| PeopleOnStreet | -1.00％ | Traffic | -3.96％ |
| ParkScene | -2.04％ | Kimono | -1.03％ |
| BQTerrace | -5.04％ | Cactus | -2.62％ |
| BasketballDrill | -8.34％ | BasketballDrive | -0.12％ |
| BQMall | -4.04％ | BQSquare | -8.49％ |
| PartyScene | -9.02％ | BlowingBubbles | -6.24％ |
| RaceHorses(WVGA) | 0.10％ | RaceHorses(WQVGA) | -0.47％ |
| BasketballPass | -1.63％ | KristenAndSara | -10.62％ |
| FourPeople | -12.58％ | Vidyo1 | -9.92％ |
| Johnny | -9.09％ | ChinaSpeed | -7.09％ |
| Vidyo3 | -11.09％ | SlideEditing | 0.00％ |
| Vidyo4 | -11.54％ | SlideShow | -5.96％ |
| BasketballDrillText | -8.15％ | ||
| 所有视频的均值 | -5.60％ | 预编码次数 | 0 |
由表1可见，对于所有的测试视频，用实施例1方法对应的亮度和色度分量的联合BD-rate为-5.60％，所以本方法可以更加有效地提高视频编码性能。
Claims (4)
1.一种高效视频编码标准量化参数的分配方法，其特征在于由以下步骤组成：
(1)设置视频第一个编码帧的量化参数
输入的视频第一个编码帧为I帧、且处于随机接入编码结构的时间0层，使用编码者在编码配置文件中设定的量化参数，采用高效视频编码标准对第一帧进行编码；
(2)确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级
对视频的第二个编码帧，纹理复杂度等级采用第二个编码帧的标准差σv进行衡量，运动等级采用第二个编码帧与第一个编码帧之间的背景帧差Dv进行衡量；
(3)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
根据式(1)确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt
Δ1,opt＝p1+p2ln(Dv)-p3(ln(Dv))2+p4ln(σv)+p5(ln(σv))2 (1)
其中，p1～p5为模型参数，p1取值为5～6，p2取值为0.1～2，p3取值为0.1～1，p4取值为0.01～1，p5取值为0.1～1；
(4)确定时间1层的量化参数
对Δ1,opt取整，将其值限制在1～10之间，如式(2)所示：
QP1＝QP0+clip3(1,10,round(Δ1,opt)) (2)
其中，QP0是第一个编码帧的量化参数，QP1是时间1层的量化参数，round(Δ1,opt)表示对Δ1,opt四舍五入取整，clip3(1,10,round(Δ1,opt))表示将round(Δ1,opt)的值限制在1～10；
(5)确定时间2层以及更高时间层的量化参数
根据视频图像组的大小及帧号来确定当前帧所处的时间层；根据式(3)确定当前帧的量化参数并编码；
QPl＝QPl-1+1,l≥2 (3)
其中，QPl是第l个时间层的量化参数；
(6)判断是否编码完毕
编码完一帧后，判断当前帧是否为编码的最后一帧，直到编码完整个视频。
2.根据权利要求1所述的高效视频编码标准量化参数分配方法，其特征在于：在确定视频第二个编码帧的纹理复杂度等级和运动等级步骤(2)中，纹理复杂度等级和运动等级采用式(4)和式(5)确定：
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<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
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</mrow>
</mrow>
式中x[n,k,i]为视频的第i帧第k个图像块位于n的像素亮度值，其中n为[n1,n2]，每帧图像宽度为N1个像素，高度为N2个像素。Bi为表示视频第i帧中图像块的集合，为第i帧中的图像块总数，Pi,k为表示第i帧第k个图像块中的像素集合，为第i帧第k个图像块中像素的总数；其中，i、k、n1、n2、N1、N2、和均为有限正整数；式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为能整除4的4～64个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为能整除4的4～64个像素；xBG(n,k,i)为背景亮度值采用式(6)确定：
<mrow>
<msub>
<mi>x</mi>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>G</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
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<mn>5</mn>
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<mi>x</mi>
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<mn>3</mn>
<mo>+</mo>
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<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>,</mo>
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<mi>h</mi>
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<mi>L</mi>
<mi>P</mi>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中
3.根据权利要求1所述的高效视频编码标准量化参数的分配方法，其特征在于：在确定时间1层的量化参数差值Δ1,opt步骤(3)中，p1取值为5.87、p2取值为1.12、p3取值为0.78、p4取值为0.03、p5取值为0.38。
4.根据权利要求1所述的高效视频编码标准量化参数的分配方法，其特征在于：在确定视频第二个编码帧的标准差和背景帧差步骤(2)中，式(4)中的图像块为正方形块，正方形块边长为4个像素，式(5)中的图像块为正方形块，正方形块边长为16个像素。
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