CN108174210A - 一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制方法 - Google Patents

一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制方法，它包括：图像分割模块，用于将一帧图像分割成为16X16的宏块；图像复杂度计算模块，用于将分割后的宏块输入到图像复杂度计算模块，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，从而得到图像复杂度MAD；宏块量化参数计算模块，包括精度选择模块和QP区间判断模块，将预设的区间阈值和精度控制参数以及图像复杂度MAD输入到精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP值，从而实现自适应宏块级码率控制。

Description

一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及一种码率控制系统及方法，具体是一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制方法，应用于视频编码和解码时宏块级码分配控制，属于视频编解码技术领域。
背景技术
视频编码中的码率控制直接影响着码流带宽和图像质量，是视频编码的重要技术之一，在视频存储和传输等应用中起着重要的的作用。在满足视频传输带宽约束的条件下，提高编码图像的质量，获得符合人眼视觉特性的均匀图像质量是码率控制的一个期望的目标。
在目前已有的视频编码码率控制方法中，为了使视频在编码过程中输出码率更加精确，通常都会将码率控制到宏块级成度，但在提升码率控制精确程度的同时，会造成一帧图像质量不均匀的结果，使得图像主观效果减弱，观赏效果不佳。而影响码率的主要因素有：编码模式、帧率、量化参数QP和编码的帧复杂程度。量化参数QP值的选取对码率控制最为关键。对一帧图像来说，若宏块的QP取值过大，解码图像会产生较强的失真和块效应；若宏块的QP取值过小，则图像编码后的码率会过大，在实时传输视频会出现卡顿现象；因此，在编码的码率控制过程中，根据目标码率和当前已经编码的图像，预测即将编码的图像复杂程度，选取适合的量化参数QP，成为码率控制的关键技术；而目前市场上并没有效率高且能自适应量化参数QP的现有技术，以致于无法对码率进行有效控制以获得符合人眼视觉特性的均匀图像质量。
发明内容
本发明提供一种能有效提高视频图像质量，有效解决视频图像在解码时造成失真问题，并能很好消除视频图像在播放解码时带来的块效应以及视频传输过程中造成的卡顿现象的一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统及控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统,它包括：
图像分割模块，用于将一帧图像分割成大小为16x16的宏块；
图像复杂度计算模块，用于将分割后的宏块输入到图像复杂度计算模块，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，从而得到图像复杂度MAD；
宏块量化参数计算模块，包括精度选择模块和QP区间判断模块，将预设的区间阈值和精度控制参数以及图像复杂度MAD输入到精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP值，从而实现自适应宏块级码率控制。
一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，包括以下三个步骤:
1)用图像分割模块将一帧图像分割成大小为16x16的宏块；
2)用图像复杂度计算模块分别计算步骤1)中各个宏块的图像复杂度，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，以获取宏块复杂度MAD；
3)将区间阈值和精度控制参数以及步骤2)中输出的宏块图像复杂度MAD输入到宏块量化参数计算模块进行处理，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP，从而实现自适应宏块级码率控制。
作为一种改进，步骤3)的宏块量化参数计算模块包括精度选择模块和QP区间判断模块，其中，将宏块图像复杂度MAD送入精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，得到宏块QP相对于帧级QP的QP偏移值，并与帧级QP叠加计算获得宏块的QP值。
作为一种改进，步骤2)的宏块图像复杂度MAD计算公式如下所示：
其中其中Xij为区域内单个像素点的像素值，Xave为区域内像素均值。
作为一种改进，所述精度选择模块计算出的图像复杂度位宽为16bit，考虑到电路实现的复杂度，使用其中12bit，由精度控制参数accuracy_id选择确定；
其精度控制参数确定公式如下：
作为一种改进，其特征在于：所述QP区间判断模块根据宏块图像复杂度MAD将其分成16个等级，对应16个QP区间，根据宏块复杂度从小到大记为区间0～区间15，每个区间对应不同的QP偏移值；16个宏块QP区间由15个区间阈值MAD0～MAD14确定，通过计算得到的宏块QP偏移值ΔQP，具体如下所示：
本发明的有益效果是：本发明首先将码率控制精准到了宏块级程度，提高了精准度，同时，本发明引入图像复杂度计算模块和宏块量化参数计算模块进行双重自适应调整，宏块量化过程中亦采用精度选择和QP区间判断以调整宏块量化的精确性并获得宏块级QP值，避免固定宏块QP取值过大带来的失真和块效应，亦避免了因宏块QP取值过小带来的卡顿现象，较大程度提高图像质量均匀的表现结果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明整体流程示意图。
图3是本发明宏块级QP值生成的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作进一步的说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
如图1、图2、图3所示为本发明的一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统的具体实施例，它包括：
图像分割模块，用于将一帧图像分割成大小为16x16的宏块；
图像复杂度计算模块，用于将分割后的宏块输入到图像复杂度计算模块，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，从而得到图像复杂度MAD；
宏块量化参数计算模块，包括精度选择模块和QP区间判断模块，将预设的区间阈值和精度控制参数以及图像复杂度MAD输入到精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP值，从而实现自适应宏块级码率控制。
本发明将自适应宏块级码率控制系统分为三大模块，分别为图像分割模块，图像复杂度计算模块和宏块量化参数计算模块，图像分割模块完成了从帧图像往宏块级别的分割，提高精度，同时，图像复杂度计算模块根据图像复杂度分析算法，主要是图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和获得实时自适应变化的图像复杂度MAD，提高发明本身对环境的自适应、自我调整能力，能更准确反应单元宏块实时的图像复杂度，进一步的，将所获得的图像复杂度MAD与事先预设好的精度选择模块和QP区间判断模块进行二次结合，通过预设的精度和QP区间以矫正实时获得图像复杂度MAD的数值，使得该数值变化处于相对合理、合适的变化范围，提高精确度、降低误差和错误可能，最终获得宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP值，从而实现自适应宏块级码率控制。
如图1、图2、图3所示为本发明的一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法的具体实施例，它包括以下三个步骤：
1)用图像分割模块将一帧图像分割成大小为16x16的宏块；
2)用图像复杂度计算模块分别计算步骤1)中各个宏块的图像复杂度，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，以获取宏块复杂度MAD；
3)将区间阈值和精度控制参数以及步骤2)中输出的宏块图像复杂度MAD输入到宏块量化参数计算模块进行处理，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP，从而实现自适应宏块级码率控制。
本发明为了使视频在编码过程中输出码率更加精确，本发明将码率的控制限定在宏块级，由于影响码率的主要因素有：编码模式、帧率、量化参数QP和编码的帧复杂程度等，而其中量化参数QP值得选取对码率控制最为关键，本发明以此作为出发点和突破口将量化参数QP值分为上述三个步骤，其中，步骤一，本发明以每一帧的图像作为预处理的单元进行分割，将每一帧的单元分割成若干行、若干列16*16的单元宏块以便于单元宏块之后的信息传输和储存，同时，将帧图像分为单元宏块能够有效提高精度；本发明的步骤二用图像复杂度计算模块分别计算步骤1)中各个宏块的图像复杂度，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，由于图像像素值的波动变化频率实时变化，且影响因素众多，例如分布、密度、变化、频率、幅度等，但统一的像素值与区域内像素值的绝对误差计算方法却不变化，此时即能达到根据实时感应的数据而自适应调整计算所得宏块的图像复杂度的目的；本发明步骤3)引入预设的区间阈值和精度控制参数并结合步骤2)中输出的自适应变化的宏块图像复杂度MAD，共同输入到宏块量化参数计算模块进行处理，保证图像复杂度在精度控制参数和区间阈值的规范下进行变化，同时进一步修正并提高结果的精准度，通过将获得的宏块QP偏移量与帧级QP叠加计算得到宏块级QP，从而实现自适应宏块级码率控制。
作为一种改进的具体实施方式，步骤3)的宏块量化参数计算模块包括精度选择模块和QP区间判断模块，其中，将宏块图像复杂度MAD送入精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，得到宏块QP相对于帧级QP的QP偏移值，并与帧级QP叠加计算获得宏块的QP值；将所获得的图像复杂度MAD与事先预设好的精度选择模块和QP区间判断模块依次进行二次结合，通过预设的精度和QP区间以矫正实时获得图像复杂度MAD的数值，使得该数值变化处于相对合理、合适的变化范围，提高精确度、降低误差和错误可能。
作为一种改进的具体实施方式，步骤2)的宏块图像复杂度MAD计算公式如下所示：
其中其中Xij为区域内单个像素点的像素值，Xave为区域内像素均值，宏块复杂度MAD即一个区域内图像像素值的波动变化频率，具体表现为像素值与区域内像素均值的绝对误差和，即Xij-Xave的绝对值，该绝对值较大，则说明图像像素值波动较大，有许多纹理细节，图像复杂度高；若绝对值较小，则说明此区域像素变化不大，图像细节不多，图像复杂度低，采用该种方法误差小，精确性高。
作为一种改进的具体实施方式，所述精度选择模块计算出的图像复杂度位宽为16bit，考虑到电路实现的复杂度，使用其中12bit，由精度控制参数accuracy_id选择确定；
其精度控制参数确定公式如下：
而精度控制参数通过上一帧的图像复杂度分布情况，预测当前帧的图像复杂度分布情况来确定。
作为一种改进的具体实施方式，所述QP区间判断模块根据宏块图像复杂度MAD将其分成16个等级，对应16个QP区间，根据宏块复杂度从小到大记为区间0～区间15，每个区间对应不同的QP偏移值；16个宏块QP区间由15个区间阈值MAD0～MAD14确定，通过计算得到的宏块QP偏移值ΔQP，具体如下所示：
本发明操作简单，易于实现。
以上具体实施例中的宏块可以根据不同大小和形状分割，可以分割为16X16、16X32、32X16、32X32、64X16、16X64、32X64等尺寸，具体实施方法与16x16宏块的实施例相同。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制系统，其特征在于，它包括：
图像分割模块，用于将一帧图像分割成为16x16的宏块；
图像复杂度计算模块，用于将分割后的宏块输入到图像复杂度计算模块，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，从而得到图像复杂度MAD；
宏块量化参数计算模块，包括精度选择模块和QP区间判断模块，将预设的区间阈值和精度控制参数以及图像复杂度MAD输入到精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP值，由于当前宏块的编码量化参数是基于当前宏块图像复杂度计算得出的，编码得出的数据是适应当前宏块图像复杂度的最佳码流，从而实现自适应宏块级码率控制。
2.一种适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，其特征在于，它包括以下三个步骤：
1)用图像分割模块将一帧图像分割成大小为16x16的宏块；
2)用图像复杂度计算模块分别计算步骤1)中各个宏块的图像复杂度，通过计算一帧图像中像素值与区域内像素值的绝对误差和，计算出宏块域内图像像素值的波动变化频率，以获取宏块复杂度MAD；
3)将区间阈值和精度控制参数以及步骤2)中输出的宏块图像复杂度MAD输入到宏块量化参数计算模块进行处理，计算出宏块QP偏移量，并与帧级QP叠加计算得到宏块级QP，从而实现自适应宏块级码率控制。
3.根据权利要求2所述的适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，其特征在于，步骤3)的宏块量化参数计算模块包括精度选择模块和QP区间判断模块，其中，将宏块图像复杂度MAD送入精度选择模块计算其精度；再将确定过精度的宏块图像复杂度MADout送入QP区间判断模块，判断宏块所属QP区间，得到宏块QP相对于帧级QP的QP偏移值，并与帧级QP叠加计算获得宏块的QP值。
4.根据权利要求2所述的适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，其特征在于，步骤2)的宏块图像复杂度MAD计算公式如下所示：
其中其中Xij为区域内单个像素点的像素值，Xave为区域内像素均值。
5.根据权利要求3所述的适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，其特征在于，所述精度选择模块计算出的图像复杂度位宽为16bit，考虑到电路实现的复杂度，使用其中12bit，由精度控制参数accuracy_id选择确定；
其精度控制参数确定公式如下：
6.根据权利要求3所述的适用于视频压缩的自适应宏块级码率控制方法，其特征在于：所述QP区间判断模块根据宏块图像复杂度MAD将其分成16个等级，对应16个QP区间，根据宏块复杂度从小到大记为区间0～区间15，每个区间对应不同的QP偏移值；16个宏块QP区间由15个区间阈值MAD0～MAD14确定，通过计算得到的宏块QP偏移值ΔQP，具体如下所示：
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