CN108012149A - 一种视频编码中码率控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种视频编码中码率控制的方法，包括：将输入的视频信号分成串行的视频帧图像；更新当前编码帧剩余编码比特数；根据时间域线性预测模型计算出当前基本单元的MAD值；若MADcb大于TH，则进行空域矫正；若MADcb小于TH，则不进行空域矫正；计算当前宏块所要用到的编码比特数；计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正；执行率失真优化得出当前宏块实际MAD值；循环执行，直到当前基本单元中宏块处理完为止；计算下一个基本单元，循环执行直到视频帧中基本单元处理完成；实现了能够很好地预测当前处理单元在时间和空间上的运动情况，从而准确的预测处理视频编码量化参数的技术效果。

Description

一种视频编码中码率控制的方法
技术领域
本发明涉及铁路接触网检测领域，具体地，涉及一种视频编码中码率控制的方法。
背景技术
在多媒体通信中，压缩视频流需要在带宽需求不一致且变化的网络上传输。一般而言，编码比特率由输入视频的特性、重建视频图像的质量和帧率等因素共同决定。在相同的重建视频图像的质量和帧率时，对于有噪声的、多细节的、复杂运动的视频序列，编码比特率就较高，对于“干净”的、平滑的、简单运动的视频序列，编码比特率就较低:而对于相同的输入视频，重建视频图像的质量和帧率越高，编码比特率就越高。因此，视频编码的目标也就是在实际传输比特率的限制下，以最小的计算复杂度来获得尽可能好的图像质量。
在主流视频编码主要通过视频处理单元的像素绝对误差均值(MAD值)来表征待处理单元的“运动”剧烈程度，当MAD值越大时，表明当前处理单元和前一帧图像相比“运动”剧烈，则需要给当前处理单元分配更多的编码比特数来表征细节，即为量化参数(QP)值要小；当MAD值越小时，表明当前处理单元和前一帧相比，“运动”不剧烈，可以用较少的编码比特来表征细节，即为QP值可以较大。
然而主流视频编码标准中将QP同时用于码率控制算法和率失真优化(RDO)，为了计算当前帧中宏块的RDO，需利用当前帧或宏块的MAD预测每个宏块的QP，而每个当前帧或宏块的MAD只有在RDO后才能计算出，这就是有名的“蛋鸡悖论”。为了解决“蛋鸡悖论”，传统方法主要通过线性模型对即将处理的图像单元的MAD进行线性预测，预测出当前待处理图像单元的运动复杂度，然后通过二次RD模型计算得到QP值，从而为该图像处理单元进行编码比特的分配。
传统的码率控制方法存在码率控制不精准的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种视频编码中码率控制的方法，解决了现有的码率控制方法存在码率控制不精准的技术问题的技术问题，实现了能够很好地预测当前处理单元在时间和空间上的运动情况，从而准确的预测处理视频编码量化参数的技术效果。
传统的码率控制方法中，主要利用时间域的相关性，通过线性模型来预测待处理的视频图像单元的MAD值。这种方式带有不确定因素，当先前帧和当前帧的运动剧烈程度相当时，此线形预测模型能基本准确的预测出当前待处理视频图像单元的MAD值，但是，当先前帧和当前帧发生场景变化时，那么这种方法就不能准确地预测出当前待处理图像单元的MAD值，从而不能根据视频图像复杂程度来进行比特分配，导致码率控制不精准。
根据以上技术分析，能准确的预测出待处理图像单元的MAD值，是码率控制是否精准的关键所在，针对传统码率控制方法对视频场景变换适配性较差的问题，本发明提出了一种时间域、空间域相结合进行MAD预测的视频码率控制的方法。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种视频编码中码率控制的方法，所述方法包括：
(1)将输入的视频信号分成串行的视频帧图像，以一个基本单元为码率控制算法中的算法处理单元，以一个宏块为最小处理单元；
(2)更新当前编码帧剩余编码比特数；
(3)根据时间域线性预测模型计算出当前基本单元的MAD值；
(4)将当前帧表征一定时间内视频序列运动状态的阈值TH和当前基本单元的MADcb值进行比较，若MADcb大于TH，则进行空域矫正；若MADcb小于TH，则不进行空域矫正；
(5)计算当前宏块所要用到的编码比特数；
(6)利用二次模型计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正；
(7)执行率失真优化得出当前宏块实际MAD值；
(8)循环执行第(3)到第(8)步，直到当前基本单元中宏块处理完为止；
(9)计算下一个基本单元，循环执行直到视频帧中基本单元处理完成。
进一步的，所述方法还包括步骤(10)预测下一帧阈值TH。
进一步的，
MADcb＝(a1*MADpb+a2)
MADcb表示当前帧中当前基本单元的MAD预测值，用MADpb表示前一帧相同位置基本单元的实际MAD值；其中a1和a2是预测模型的两个系数，初始值分别设为1和0，在编码完每一个基本单元后被更新。
进一步的，空域矫正方法为：
其中：
MAD1 cb表示空域矫正后的MAD值；MADcb-1和MAD_Rcb-1分别为前一基本单元的预测MAD值和实际MAD值。
进一步的，利用二次模型计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正，具体包括：
CurrentMB->QP--；
CurrentMB->QP++；
其中，MADblock表示当前宏块的图像绝对误差均值，表示了当前基本单元中宏块的平均复杂度，CurrentMB->QP表示当前宏块的量化参数。
进一步的，通过计算视频序列像素方差来得到动态的阈值，通过计算帧间图像绝对误差均值MAD的方差DMAD，以方差DMAD来表征当前视频序列运动状态。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明最有益的效果是在视频场景变化比较剧烈的情况下，能够很好地预测当前处理单元在时间和空间上的运动情况，从而准确的预测处理视频编码量化参数。
进一步的，本发明的优点是：1)充分考虑了图像的时域和空域相关性，通过视频图像帧间绝对误差均值MAD的方差来表征视频图像的运动状态，并对待处理单元的MAD预测值进行基于时空域相结合的加权矫正，能够很好的适应视频图像场景变化情况；2)考虑了基本单元中宏块图像的差异性，通过自适应调节每个宏块的QP值，使得每个基本单元中复杂度大的宏块能够分得较多的比特，复杂度小的相应分得较少比特，使得码率控制的精度更高，呈现的图像质量更好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中视频编码中码率控制的方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种视频编码中码率控制的方法，解决了现有的码率控制方法存在码率控制不精准的技术问题的技术问题，实现了能够很好地预测当前处理单元在时间和空间上的运动情况，从而准确的预测处理视频编码量化参数的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，本申请提供了一种视频编码中码率控制的方法，通过时间域、空间域相结合进行待处理图像复杂度进行预测，针对视频图像的各种应用场景，能够较为准确的预测出待处理视频图像单元的复杂度，从而能准确的计算出量化参数。
本发明提供的码率控制方法包括步骤：
(1)将输入的视频信号分成串行的视频帧图像，以一个基本单元为码率控制算法中的算法处理单元，以一个宏块为最小处理单元；
(2)更新当前编码帧剩余编码比特数；
(3)根据时间域线性预测模型计算出当前基本单元的MAD值；
MADcb＝(a1*MADpb+a2)
MADcb表示当前帧中当前基本单元的MAD预测值，用MADpb表示前一帧相同位置基本单元的实际MAD值。其中a1和a2是预测模型的两个系数，它们初始值分别设为1和0。它们在编码完每一个基本单元后被更新。
(4)将当前帧表征一定时间内视频序列运动状态的阈值TH和当前基本单元的MADcb值进行比较，如果MADcb大于TH，则代表当前基本单元为在时域中处于运动状态，需要进行空域矫正。如何MADcb小于TH，则代表当前基本单元在时域中处于静止状态，不需要进行空域矫正。空域矫正方法如下：
其中：
MAD1 cb表示空域矫正后的MAD值；MADcb-1和MAD_Rcb-1分别为前一基本单元的预测MAD值和实际MAD值。
(5)计算当前宏块所要用到的编码比特数；
(6)利用二次模型计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正；
CurrentMB->QP--；
CurrentMB->QP++；
表示了当前基本单元中宏块的平均复杂度，显然，如果MADblock大于它的话，就表明了当前编码宏块相比其它宏块复杂，就要用较小的量化参数来来描述它的细节部分，相反地，如果MADblock小于它的化，表明当前编码宏块场景平滑，采用较大的量化参数就能刻画出图像，从而节省了比特。
(7)执行率失真优化(RDO)得出当前宏块实际MAD值；
(8)循环执行第(3)到第(8)步，直到当前基本单元中宏块处理完为止；
(9)计算下一个基本单元，循环执行直到视频帧中基本单元处理完成；
(10)预测下一帧阈值TH。
其中，本申请中的方法结合时间域和空间域的视频图像特征，通过视频图像帧间绝对误差均值MAD的方差来表征视频图像的运动状态，并采用时空域相结合的加权预测方法，对当前待处理宏块的MAD值进行矫正，使得视频编码中码率控制能更好地适应各种视频场景。自适应地调节每个宏块的QP值，对每个宏块进行独立码率控制，提高码率控制精度。
通过计算视频序列像素方差来得到动态的阈值，从而使得阈值能更好地体现当前视频序列的运动特征。通过计算帧间图像绝对误差均值MAD的方差DMAD，以方差DMAD来表征当前视频序列运动状态；
假设在一定时间范围没有噪声出现，图像间的差异主要由运动引起，则有：
Fx,y(t)＝Bx,y+n(t)
式中Fx,y(t)代表当前图像值，Bx,y代表场景的值，因无运动，是定值，n(t)代表运动，是变化值。根据背景建模可知，视频图像中运动部分，服从均值为0、方差为δ的高斯分布。帧间差分图像定义为：
Diffx,y(t)＝Fx,y(t)-Fx,y(t-1)＝n(t)-n(t-1)
假设无运动存在，计算差分图像相临3个基本单元都大于阈值TH或都小于阈值TH的概率。
相临3个基本单元大于阈值的概率为：
假设δ为5，当TH取1倍δ时，计算出概率为0.004，当取TH为2倍δ时，计算出概率为1.178x，这是一个极小概率事件。同理，取一个稍大于方差δ的阈值，也是一个极小概率事件。考虑到实际视频序列的特征，本算法取阈值TH为
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种视频编码中码率控制的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将输入的视频信号分成串行的视频帧图像，以一个基本单元为码率控制算法中的算法处理单元，以一个宏块为最小处理单元；
(2)更新当前编码帧剩余编码比特数；
(3)根据时间域线性预测模型计算出当前基本单元的图像绝对误差均值MAD；
(4)将当前帧表征一定时间内视频序列运动状态的阈值TH和当前基本单元的MADcb值进行比较，若MADcb大于阈值TH，则进行空域矫正；若MADcb小于TH，则不进行空域矫正；
(5)计算当前宏块所要用到的编码比特数；
(6)利用二次模型计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正；
(7)执行率失真优化得出当前宏块实际MAD值；
(8)循环执行第(3)到第(8)步，直到当前基本单元中宏块处理完为止；
(9)计算下一个基本单元，循环执行直到视频帧中基本单元处理完成。
2.根据权利要求1所述的视频编码中码率控制的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤(10)预测下一帧阈值TH。
3.根据权利要求1所述的视频编码中码率控制的方法，其特征在于，
MADcb＝(a1*MADpb+a2)
MADcb表示当前帧中当前基本单元的MAD预测值，用MADpb表示前一帧相同位置基本单元的实际MAD值；其中a1和a2是预测模型的两个系数，初始值分别设为1和0，在编码完每一个基本单元后被更新。
4.根据权利要求1所述的视频编码中码率控制的方法，其特征在于，空域矫正方法为：
<mrow> <msub> <msup> <mi>MAD</mi> <mn>1</mn> </msup> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：
<mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
MAD1 cb表示空域矫正后的MAD值；MADcb-1和MAD_Rcb-1分别为前一基本单元的预测MAD值和实际MAD值。
5.根据权利要求1所述的视频编码中码率控制的方法，其特征在于，利用二次模型计算出当前宏块量化参数QP值并进行矫正，具体包括：
<mrow> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
CurrentMB->QP--；
<mrow> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>MAD</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
CurrentMB->QP++；
其中，MADblock表示当前宏块的图像绝对误差均值，表示了当前基本单元中宏块的平均复杂度，CurrentMB->QP表示当前宏块的量化参数。
6.根据权利要求2所述的视频编码中码率控制的方法，其特征在于，通过计算视频序列像素方差来得到动态的阈值，通过计算帧间图像绝对误差均值MAD的方差DMAD，以方差DMAD来表征当前视频序列运动状态。
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