CN108769701A - 一种适于低码率视频应用的hevc码率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，包括提取帧间编码帧的全局运动向量；根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域；根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率；根据CTU分配的目标码率，采用R‑lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值。本发明将CTU的运动向量与当前帧的全局运动向量进行对比，提取运动区域，然后判断各个CTU是否属于运动区域，分别为每个CTU优化分配目标码率，最后，利用R‑lambda模型计算该CTU的QP值，在码率控制的角度提高视频重建质量。

Description

一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法

技术领域

本发明涉及多媒体编码技术领域,具体地说是一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法。

背景技术

随着网络技术和计算机处理能力不断提高，人们对现有视频编码标准提出了新的要求，希望能够提供高清、超高清分辨率视频压缩，以满足新的家庭影院、远程监控、数字广播、移动流媒体、便携摄像和医学成像等领域的应用。为此，JCT-VC(Joint CollaborativeTeam on Video Coding，视频编码联合协作小组)于2013年1月正式发布了新一代视频编码标准HEVC(High Efficiency Video Coding，高效视频编码)。HEVC的目标是在H.264/AVChigh profile的基础上，通过采用更加灵活的四叉树编码块划分、基于方向的帧内预测与预测类型、自适应运动矢量预测选择机制等新技术，在保证相同视频图像质量的前提下，视频流的码率减少50％，即压缩效率提高一倍。

虽然HEVC取得了更加高效的压缩效率，但是对于低码率视频应用来说，由于视频编码的目标码率很低，为每帧视频图像分配的目标码率也很低，就会造成每帧图像的重建质量较差，影响人们观看时的视觉感受。由于目标码率较低，与原始图像相比，重建后的图像出现图1、2所示模糊，甚至出现图3、4所示的无法看清图像内容的情况，严重影响视频观看质量。

重建视频的质量连续性也会对人们观看视频时的主观感受产生重要影响。如图5-8所示，第96帧和第98帧为P帧，第97帧为I帧，由于I帧的编码效率低，重建质量差，导致和相邻帧之间出现视频质量不连续，在人们观看时会感觉视频不断“闪烁”，严重影响视频观看质量。

发明内容

本发明实施例中提供了一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，以解决现有技术中对视频编码重建质量差，造成视频模糊、不连续的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明提供了一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，包括以下步骤：

提取帧间编码帧的全局运动向量；

根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域；

根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率；

根据CTU分配的目标码率，采用R-lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值。

进一步地，所述提取帧间编码帧的全局运动向量的具体过程为：

在帧间编码帧的编码过程中，保存运动估计和运动补偿阶段计算出的各CTU的运动向量；

将各CTU的运动向量分解为水平运动分量MV_x和垂直运动分量MV_y；

分别统计各CTU的MV_x和MV_y，将出现概率最大的水平运动分量和垂直运动分量作为全局运动向量MV_Gx和MV_Gy。

进一步地，根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域的具体过程为：

对于帧间编码帧，若CTU的运动向量满足

(MV_x＜MV_Gx-ε)∨(MV_x＞MV_Gx+ε)∨(MV_y＜MV_Gy-ε)∨(MV_y＞MV_Gy+ε)，则该CTU为运动CTU，所有运动CTU组成当前帧的运动区域；

对于帧内编码帧，将相邻前一帧间编码帧的运动区域，作为当前帧内编码帧的运动区域。

进一步地，根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率的具体过程为：

分别为帧间编码帧的运动区域和非运动区域分配目标码率；

在帧内编码帧的目标码率大于0时，分别为帧内编码帧的运动区域和非运动区域分配目标码率；

在帧内编码帧的目标码率小于等于0时，为帧内编码帧中未编码的CTU分配目标码率。

进一步地，为帧间编码帧的运动区域分配目标码率具体为：

当MV_x＜MV_Gx-ε或MV_x＞MV_Gx+ε时，

当MV_y＜MV_Gy-ε或MV_y＞MV_Gy+ε时，

进一步地，为帧间编码帧的非运动区域分配目标码率具体为：

进一步地，在帧内编码帧的目标码率大于0时，为帧内编码帧的运动区域分配目标码率具体为：

当MV_x＜MV_Gx-ε或MV_x＞MV_Gx+ε时，

当MV_y＜MV_Gy-ε或MV_y＞MV_Gy+ε时，

为帧内编码帧的非运动区域分配目标码率具体为：

进一步地，在帧内编码帧的目标码率小于等于0时，为帧内编码帧中未编码的CTU分配目标码率具体为：

T_codedCTU为当前帧中已编码CTU的实际编码码率之和。

进一步地，对目标码率进行限制，具体为：

进一步地，采用R-lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值具体为：

QP＝4.2005lnλ+13.7122

N_pix为CTU中像素个数，α、β均为系数，λ用来描述图像失真D和目标码率R之间的关系，满足

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、将CTU的运动向量与当前帧的全局运动向量进行对比，提取运动区域，然后判断各个CTU是否属于运动区域，分别为每个CTU优化分配目标码率，最后，利用R-lambda模型计算该CTU的QP值，在码率控制的角度提高视频重建质量。

2、在提取运动区域时，利用编码过程中运动估计和补偿阶段计算出的CTU的运动向量，降低了算法复杂度，提高工作效率。

3、在I帧目标码率小于等于0时，额外为其分配更多目标码率，保证I帧和相邻帧之间的质量连续性，提高了I帧重建质量。

4、基于公式(2)、(3)、(4)，在进行目标码率分配时，为运动区域分配更多的目标码率，且更加精细，减少对非运动区域目标码率的分配，提高运动区域的重建质量，提供良好的视频观看效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是视频1的原始图像示意图；

图2是利用现有技术，对视频1的重建图像示意图；

图3是视频2的原始图像示意图；

图4是利用现有技术，对视频2的重建图像示意图；

图5是利用现有技术重建图像的第96帧示意图；

图6是利用现有技术重建图像的第97帧示意图；

图7是利用现有技术重建图像的第98帧示意图；

图8是本发明所述方法实施例的流程示意图；

图9是原始图像1的示意图；

图10是对原始图像1的运动区域提取结果；

图11是原始图像2的示意图；

图12是对原始图像2的运动区域提取结果；

图13是I帧在编码过程中CTU的目标码率变化示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

人们在观看视频时，最为关注视频中的运动区域。在视频编码时，如果能够提取出视频中的运动区域，并给运动区域分配更多目标码率，就能够提高视频运动区域的重建质量，改善人们观看视频时的主观感受。本发明利用这一特点，通过改善视频中运动区域的重建质量，达到在较低的目标码率下，改善视频整体重建质量的目的。

如图8所示，本发明的适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法包括以下步骤：

S1,提取帧间编码帧的全局运动向量；

S11，在帧间编码帧的编码过程中，保存运动估计和运动补偿阶段计算出的各CTU的运动向量；

针对帧间编码帧(P帧和B帧)，在编码过程的运动估计和补偿阶段，每个CTU的运动向量都会被计算出来。

S12,将各CTU的运动向量分解为水平运动分量MV_x和垂直运动分量MV_y；

为了降低算法复杂度，利用运动向量来计算全局运动向量。由于运动向量是一个二维向量，计算复杂度较高，因此将CTU的运动向量分解为水平(x轴)和垂直(y轴)两个方向，分别计算其值MV_x和MV_y。

S13,分别统计各CTU的MV_x和MV_y，将出现概率最大的水平运动分量和垂直运动分量最为全局运动向量MV_Gx和MV_Gy。

统计当前帧中所有CTU的MV_x和MV_y的出现概率，将出现概率最大的当做该帧的全局运动向量MV_Gx和MV_Gy。

S2,根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域；

对于帧间编码帧，若CTU的运动向量满足

(MV_x＜MV_Gx-ε)∨(MV_x＞MV_Gx+ε)∨(MV_y＜MV_Gy-ε)∨(MV_y＞MV_Gy+ε) (1)，

则该CTU为运动CTU，所有运动CTU组成当前帧的运动区域。式(1)中，ε为判断运动CTU时的容错值，本实施例中设定为20。

对于帧内编码帧，由于I帧中的CTU全部采用帧内编码方式编码，不存在运动估计和补偿阶段，无法计算CTU的运动向量。但对于大多数视频来说，由于相邻两帧图像的采集时间间隔很短(低于40毫秒)，其相关性较大。因此为降低算法复杂度，将相邻前一帧间编码帧的运动区域，作为当前帧内编码帧的运动区域。

如图9-12所示，利用步骤S2获得运动区域。

S3,根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率；

针对帧间编码帧，如果其中的CTU属于运动区域，则按照公式(2)和(3)为其分配目标码率。

当MV_x＜MV_Gx-ε或MV_x＞MV_Gx+ε时，

当MV_y＜MV_Gy-ε或MV_y＞MV_Gy+ε时，

如果其中的CTU属于非运动区域，则按照公式(4)为其分配目标码率。

式(2)、(3)、(4)中，T_i(j)为第i帧中第j个CTU的目标码率，i和j均为正整数；T_codedCTU为当前帧中已编码CTU的实际编码码率之和；N_left为第i帧中未编码CTU的个数；N_pix为CTU中像素个数。

针对帧内编码帧，要充分考虑I帧编码效率低下的问题，即在相同目标码率下，I帧的编码重建质量要低于帧间编码帧。这是由于I帧中的CTU全部采用帧内编码方式编码，会使得I帧的目标码率消耗过快。

如图13所示，第49、97和145帧分别是Container测试序列在100Kbps编码时的I帧，从图中可以看出，这3个I帧的目标码率很快就全部消耗完，其尚未编码的CTU的目标码率都小于0。当一个CTU的目标码率小于等于0时，就会采用公式(5)计算CTU的QP值。

QP_i(j)＝QP_i(j-1)+1 (5)

式(5)中，QP_i(j)为第i帧中第j个CTU的QP值。

随着QP值增大，CTU的重建质量会逐渐下降，对I帧的整体重建质量造成严重影响。本实施例在为I帧的CTU分配目标码率之前，都要重新计算I帧的剩余目标码率。当I帧剩余目标码率大于0时，采用和帧间编码帧相同的目标码率分配方式，即对于运动区域，按照公式(2)和(3)分配目标码率，对于非运动区域，按照公式(4)分配目标码率。因将相邻前一帧间编码帧的运动区域，作为当前帧内编码帧的运动区域，因此在按照公式(2)、(3)、(4)对帧内编码帧进行目标码率的分配时，MV_x、MV_y、MV_Gx和MV_Gy也是取相邻前一帧间编码帧的值。

当I帧的目标码率小于等于0时，为了改善其重建质量，额外为其分配目标码率，如公式(6)所示。

目标码率分配完成之后，为了避免某些CTU的运动向量和全局运动向量相差过大，导致其目标码率过大，本发明对T_i(j)进行限制，如公式(7)所示。

S4,根据CTU分配的目标码率，采用R-lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值。

各CTU的目标码率分配结束之后，采用R-lambda模型计算CTU的QP值，如公式(8)所示。从而既保证了单帧视频图像的重建质量，又保证了视频质量的连续性。

QP＝4.2005lnλ+13.7122

式(8)中，α、β均为系数，其值通过实验得到，初值分别为3.2003和-1.367，λ用来描述图像失真D和目标码率R之间的关系，满足

本发明实施例中的方法为运动CTU分配的目标码率更多，为非运动CTU分配的目标码率小队较少，使得运动CTU编解码后的重建质量更高，人眼感兴趣区域的重建质量提高，从而达到提高视频主观质量的目的。

以上所述只是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，包括以下步骤：

提取帧间编码帧的全局运动向量；

根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域；

根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率；

根据CTU分配的目标码率，采用R-lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值。

2.根据权利要求1所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，所述提取帧间编码帧的全局运动向量的具体过程为：

在帧间编码帧的编码过程中，保存运动估计和运动补偿阶段计算出的各CTU的运动向量；

将各CTU的运动向量分解为水平运动分量MV_x和垂直运动分量MV_y；

分别统计各CTU的MV_x和MV_y，将出现概率最大的水平运动分量和垂直运动分量作为全局运动向量MV_Gx和MV_Gy。

3.根据权利要求2所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，根据所述全局运动向量和当前帧中各CTU的运动向量判断运动CTU，提取图像的运动区域的具体过程为：

对于帧间编码帧，若CTU的运动向量满足

(MV_x＜MV_Gx-ε)∨(MV_x＞MV_Gx+ε)∨(MV_y＜MV_Gy-ε)∨(MV_y＞MV_Gy+ε)，则该CTU为运动CTU，所有运动CTU组成当前帧的运动区域；

对于帧内编码帧，将相邻前一帧间编码帧的运动区域，作为当前帧内编码帧的运动区域。

4.根据权利要求3所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，根据运动区域的提取结果，分别为帧间编码帧和帧内编码帧分配目标码率的具体过程为：

分别为帧间编码帧的运动区域和非运动区域分配目标码率；

在帧内编码帧的目标码率大于0时，分别为帧内编码帧的运动区域和非运动区域分配目标码率；

在帧内编码帧的目标码率小于等于0时，为帧内编码帧中未编码的CTU分配目标码率。

5.根据权利要求4所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，为帧间编码帧的运动区域分配目标码率具体为：

当MV_x＜MV_Gx-ε或MV_x＞MV_Gx+ε时，

当MV_y＜MV_Gy-ε或MV_y＞MV_Gy+ε时，

6.根据权利要求4所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，为帧间编码帧的非运动区域分配目标码率具体为：

7.根据权利要求4所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，在帧内编码帧的目标码率大于0时，为帧内编码帧的运动区域分配目标码率具体为：

当MV_x＜MV_Gx-ε或MV_x＞MV_Gx+ε时，

当MV_y＜MV_Gy-ε或MV_y＞MV_Gy+ε时，

为帧内编码帧的非运动区域分配目标码率具体为：

8.根据权利要求4所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，在帧内编码帧的目标码率小于等于0时，为帧内编码帧中未编码的CTU分配目标码率具体为：

T_codedCTU为当前帧中已编码CTU的实际编码码率之和。

9.根据权利要求5-8任一项所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，对目标码率进行限制，具体为：

10.根据权利要求9所述的一种适于低码率视频应用的HEVC码率控制方法，其特征是，采用R-lambda模型计算各个CTU的量化参数QP值具体为：

QP＝4.2005lnλ+13.7122

N_pix为CTU中像素个数，α、β均为系数，λ用来描述图像失真D和目标码率R之间的关系，满足