CN112218084B - 面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法 - Google Patents

面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法 Download PDF

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Abstract

一种面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法，其特征在于由确定预编码的目标码率、预编码视频前4个图像组的帧、确定影响第4图像组帧失真的模型参数、确定影响第4图像组帧码率的模型参数、确定第4图像组帧率失真特性的模型参数、确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数、确定第4图像组帧参考帧的参考概率、确定第4图像组帧的牛顿‑拉夫逊参数、确定第4图像组帧分配的基础目标码率、确定第4图像组帧目标码率分配权重和编码监控视频步骤组成。本发明解决了现有技术没有全面考虑帧间参考帧影响的技术问题。本发明具有码率估计准确度高、编码率失真性能高等优点，可用于监控视频码率控制技术领域。

Description

面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法
技术领域
本发明属于视频编码技术领域，具体涉及到面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法。
背景技术
近年来，随着网络、多媒体及硬件技术的飞速发展，视频监控作为重要的视频应用之一，在安全、智能安防、智能家居等领域得到了广泛的应用。在视频监控系统中，采集的原始监控视频非常庞大，只有通过视频编码处理后才能对监控视频数据进行有效地传输与存储。码率控制是视频编码中一项非常关键的技术，可以在满足信道传输带宽的限制条件下，获得更高质量的编码重建视频。
目前随着高清监控视频设备的大量普及，面向高清视频的高效视频编码标准被广泛采用。高效视频编码标准采用λ域的码率控制方法，λ表示拉格朗日因子。λ域的码率控制算法包含两个主要步骤，即目标码率分配和量化参数确定。首先，根据信道带宽、缓冲器状态等因素为每个基本单元(图像或最大编码单元)分配合适的目标码率。然后，根据目标码率与λ和量化参数(R-λ-QP)的关系模型为每个基本单元确定优化的量化参数并编码。在λ域码率控制方法中目标码率分配结果直接影响R-λ-QP模型中的码率，显著影响码率控制的性能。而在进行目标码率分配时，最核心的是要给每个基本单元优化的目标码率分配权重。
目前高效视频编码标准采用了三种目标码率分配权重方式，即平均比率的目标码率分配权重方法、固定比率的目标码率分配权重方法和自适应比率的目标码率分配权重方法。这三种方法在计算目标码率分配权重时都没有考虑视频帧间的编码参考依赖性。高效视频编码标准和之前的大部分主流视频编码标准一样，都采用基于预测、变换、量化、熵编码的混合编码框架。视频在编码时会采用帧内预测与帧间预测技术用以消除视频中的空域和时域冗余信息，这导致编码帧与其帧间参考帧之间存在非常强的参考依赖关系。特别是监控视频，其背景区域通常近似静止，只有前景中的目标在动，所以其帧间内容的相关性更大。最终导致，相比于其他类型视频，监控视频中帧间的编码参考依赖性会更大。为了进一步提高码率控制性能，一些改进的考虑视频帧间编码参考依赖关系的目标码率分配权重的方法也相继被提出。高效视频编码标准采用了多参考帧预测技术，一个编码帧通常会有多幅帧间参考帧，这些改进的方法只考虑了部分帧间参考帧的影响，并没有考虑所有帧间参考帧的影响。只有考虑所有帧间参考帧的影响，才能准确地描述视频编码帧的失真特性，才能提出最优的目标码率分配权重方式以及相应的码率控制方法。
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，提供一种考虑所有帧间参考帧影响、码率估计准确度高、编码率失真性能高的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：
(1)确定预编码的目标码率
关闭高效视频编码标准国际制定组织推荐的测试软件HM中的码率控制功能，设置初始量化参数QPini，QPini∈{1,2,...,51}，使用HM中默认的量化参数级联配置对监控视频前四个图像组的帧进行编码，得到第一个预编码的目标码率Rtar,per,1，按式(1)和式(2)分别得到第二个预编码的目标码率Rtar,per,2和第三个预编码的目标码率Rtar,per,3：
Rtar,per,2＝η1Rtar,per,1 (1)
Rtar,per,3＝η2Rtar,per,1 (2)
其中η1、η2为伸缩因子，η1∈(0.15,0.50]，η2∈[0.01,0.15]。
(2)预编码视频前4个图像组的帧
用HM的基于自适应比率比特分配权重的帧级码率控制方法，在第一个预编码的目标码率Rtar,per,1、第二个预编码的目标码率Rtar,per,2、第三个预编码的目标码率Rtar,per,3下分别对视频的前4个图像组的帧进行编码。
(3)确定影响第4图像组帧失真的模型参数
采用最小二乘法按式(3)拟合获得第4图像组帧的失真受其帧间参考帧影响的模型参数a4,j,r和b4,j,r：
Figure BDA0002727711730000021
其中D4,j表示第4图像组中第j个帧的失真，D4,j,r表示第4个图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的失真，j表示帧在图像组中的显示排序，j∈{1,2,...NG}，NG表示图像组大小，r表示帧间参考帧序号，r∈{1,2,...Nr}，Nr表示帧间参考帧的数目，NG和Nr为有限的正整数。
(4)确定影响第4图像组帧码率的模型参数
采用最小二乘法按式(4)拟合获得第4个图像组帧的码率受其帧间参考帧影响的模型参数d4,j,r
R4,j＝(d4,j,r)-1R4,j,r (4)
其中R4,j表示第4图像组中第j个帧的码率，R4,j,r表示第4图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的码率。
(5)确定第4图像组帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(5)拟合获得反应第4图像组帧率失真特性的模型参数C4,j和K4,j：
Figure BDA0002727711730000031
(6)确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(6)拟合获得反应第4图像组帧的帧间参考帧率失真特性的模型参数C4,j,r和K4,j,r：
Figure BDA0002727711730000032
(7)确定第4图像组帧参考帧的参考概率
按式(7)确定第4图像组帧的参考帧的参考概率P4,j,r：
Figure BDA0002727711730000033
其中N4,j,PU表示第4图像组中第j个帧的预测单元数目，N4,j,r,PU表示第4图像组中第j个帧选择第r个参考帧作为参考帧的预测单元数目。
(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数
按式(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数θ4,j：
Figure BDA0002727711730000034
其中Rtar表示设定的目标码率，f表示视频帧率，w和h表示视频图像的宽度和高度，χ4,j为第4图像组中第j个帧对应的伸缩因子，按式(9)确定：
Figure BDA0002727711730000041
其中bpp表示比特每像素，bpp取值由式(10)确定：
Figure BDA0002727711730000042
(9)确定第4图像组帧分配的基础目标码率
按式(11)确定第4图像组帧对应的基础目标码率：
Figure BDA0002727711730000043
其中R4,j,bac为第4图像组中第j个帧对应的基础目标码率。
(10)确定第4图像组帧目标码率分配权重
按式(12)确定第4图像组帧对应的目标码率分配权重：
Figure BDA0002727711730000044
其中ω4,j为第4图像组中第j个帧对应的目标码率分配权重。
(11)编码监控视频
按式(13)确定视频所有图像组帧对应的目标码率分配权重：
ωi,j＝ω4,j (13)
其中ωi,j表示视频第i个图像组第j个帧对应的目标码率分配权重，i∈{1,2,...Nv}，Nv表示视频中图像组的数目，Nv为有限的正整数。
在编码器中设定目标码率Rtar，用目标码率分配权重ωi,j对监控视频进行帧级码率控制。
在本发明的确定预编码的目标码率步骤(1)中，所述的QPini最佳为22，η1最佳为0.22，η2最佳为0.08。
在本发明的编码监控视频步骤(11)中，使用的编码器为高效视频编码标准国际制定组织推荐的HM。
由于本发明采用确定影响第4图像组帧失真的模型参数步骤，确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数步骤，确定第4图像组帧参考帧的参考概率步骤，确定第4图像组帧分配的基础目标码率步骤，确定第4图像组帧目标码率分配权重步骤以及编码监控视频步骤，解决了现有技术没有全面考虑帧间参考帧影响的技术问题。本发明具有码率估计准确度高、编码率失真性能高等优点，可用于监控视频码率控制技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例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，但本发明不限于下面的实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法由下述步骤组成：
(1)确定预编码的目标码率
关闭高效视频编码标准国际制定组织推荐的测试软件HM中的码率控制功能，设置初始量化参数QPini，QPini∈{1,2,...,51}，本实施例的QPini取值为22。使用HM中默认的量化参数级联配置对监控视频前四个图像组的帧进行编码，得到第一个预编码的目标码率Rtar,per,1，按式(1)和式(2)分别得到第二个预编码的目标码率Rtar,per,2和第三个预编码的目标码率Rtar,per,3：
Rtar,per,2＝η1Rtar,per,1 (1)
Rtar,per,3＝η2Rtar,per,1 (2)
其中η1、η2为伸缩因子，η1∈(0.15,0.50]，η2∈[0.01,0.15]；本实施例的η1取值为0.22，η2取值为0.08。
(2)预编码视频前4个图像组的帧
用HM的基于自适应比率比特分配权重的帧级码率控制方法，在第一个预编码的目标码率Rtar,per,1、第二个预编码的目标码率Rtar,per,2、第三个预编码的目标码率Rtar,per,3下分别对视频的前4个图像组的帧进行编码。
(3)确定影响第4图像组帧失真的模型参数
采用最小二乘法按式(3)拟合获得第4图像组帧的失真受其帧间参考帧影响的模型参数a4,j,r和b4,j,r：
Figure BDA0002727711730000061
其中D4,j表示第4图像组中第j个帧的失真，D4,j,r表示第4个图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的失真，j表示帧在图像组中的显示排序，j∈{1,2,...NG}，NG表示图像组大小，r表示帧间参考帧序号，r∈{1,2,...Nr}，Nr表示帧间参考帧的数目，NG和Nr为有限的正整数。
(4)确定影响第4图像组帧码率的模型参数
采用最小二乘法按式(4)拟合获得第4个图像组帧的码率受其帧间参考帧影响的模型参数d4,j,r
R4,j＝(d4,j,r)-1R4,j,r (4)
其中R4,j表示第4图像组中第j个帧的码率，R4,j,r表示第4图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的码率。
(5)确定第4图像组帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(5)拟合获得反应第4图像组帧率失真特性的模型参数C4,j和K4,j：
Figure BDA0002727711730000062
(6)确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(6)拟合获得反应第4图像组帧的帧间参考帧率失真特性的模型参数C4,j,r和K4,j,r：
Figure BDA0002727711730000063
(7)确定第4图像组帧参考帧的参考概率
按式(7)确定第4图像组帧的参考帧的参考概率P4,j,r：
Figure BDA0002727711730000071
其中N4,j,PU表示第4图像组中第j个帧的预测单元数目，N4,j,r,PU表示第4图像组中第j个帧选择第r个参考帧作为参考帧的预测单元数目。
(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数
按式(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数θ4,j：
Figure BDA0002727711730000072
其中Rtar表示设定的目标码率，f表示视频帧率，w和h表示视频图像的宽度和高度，χ4,j为第4图像组中第j个帧对应的伸缩因子，按式(9)确定：
Figure BDA0002727711730000073
其中bpp表示比特每像素，bpp取值由式(10)确定：
Figure BDA0002727711730000074
(9)确定第4图像组帧分配的基础目标码率
按式(11)确定第4图像组帧对应的基础目标码率：
Figure BDA0002727711730000075
其中R4,j,bac为第4图像组中第j个帧对应的基础目标码率。
(10)确定第4图像组帧目标码率分配权重
按式(12)确定第4图像组帧对应的目标码率分配权重：
Figure BDA0002727711730000081
其中ω4,j为第4图像组中第j个帧对应的目标码率分配权重。
(11)编码监控视频
按式(13)确定视频所有图像组帧对应的目标码率分配权重：
ωi,j＝ω4,j (13)
其中ωi,j表示视频第i个图像组第j个帧对应的目标码率分配权重，i∈{1,2,...Nv}，Nv表示视频中图像组的数目，Nv为有限的正整数。
在编码器中设定目标码率Rtar，用目标码率分配权重ωi,j对监控视频进行帧级码率控制。
在本实施例的上述技术方案中，采用确定影响第4图像组帧失真的模型参数步骤，确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数步骤，确定第4图像组帧参考帧的参考概率步骤，确定第4图像组帧分配的基础目标码率步骤，确定第4图像组帧目标码率分配权重步骤以及编码监控视频步骤，解决了现有技术没有全面考虑帧间参考帧影响的技术问题。与现有技术相比，具有码率估计准确度高、编码率失真性能高等优点，可用于监控视频码率控制技术领域。
实施例2
本实施例的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法由下述步骤组成：
在确定预编码的目标码率步骤(1)中，关闭高效视频编码标准国际制定组织推荐的测试软件HM中的码率控制功能，设置初始量化参数QPini，QPini∈{1,2,...,51}，本实施例的QPini取值为1。使用HM中默认的量化参数级联配置对监控视频前四个图像组的帧进行编码，得到第一个预编码的目标码率Rtar,per,1，按式(1)和式(2)分别得到第二个预编码的目标码率Rtar,per,2和第三个预编码的目标码率Rtar,per,3：
Rtar,per,2＝η1Rtar,per,1 (1)
Rtar,per,3＝η2Rtar,per,1 (2)
其中η1、η2为伸缩因子，η1∈(0.15,0.50]，η2∈[0.01,0.15]；本实施例的η1取值为0.151，η2取值为0.01。
其它步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法由下述步骤组成：
在确定预编码的目标码率步骤(1)中，关闭高效视频编码标准国际制定组织推荐的测试软件HM中的码率控制功能，设置初始量化参数QPini，QPini∈{1,2,...,51}，本实施例的QPini取值为51。使用HM中默认的量化参数级联配置对监控视频前四个图像组的帧进行编码，得到第一个预编码的目标码率Rtar,per,1，按式(1)和式(2)分别得到第二个预编码的目标码率Rtar,per,2和第三个预编码的目标码率Rtar,per,3：
Rtar,per,2＝η1Rtar,per,1 (1)
Rtar,per,3＝η2Rtar,per,1 (2)
其中η1、η2为伸缩因子，η1∈(0.15,0.50]，η2∈[0.01,0.15]；本实施例的η1取值为0.50，η2取值为0.15。
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的方法对测试视频进行了实验，实验如下：
选择编码标准制定组织推荐的天桥(Overbridge)、低亮度(Lowlight)、地铁(Metro)、跑步者(Runners)监控视频作为测试视频，选择高效视频编码标准国际制定组织推荐的编码器HM16.17，采用低时延编码结构，图像组大小为4。
采用本发明实施例1方法、高效视频编码标准中基于平均比率目标码率分配权重的图像级码率控制算法(EBA-PRC)、基于固定比率目标码率分配权重的图像级码率控制算法(FRB-PRC)、基于自适应比率目标码率分配权重的图像级码率控制方法(ARBA-PRC)分别对测试视频进行编码，用视频编码领域通用的BE和BD-rate两个指标分别衡量码率估计准确度和编码率失真性能。BE值越小，表明码率估计的准确度更高。本实验在计算BD-rate时将EBA-PRC设定为基准方法。BD-rate为负值时，表示与基准方法相比，比较的方法可以用更少的码率获得相同质量的重建视频，即比较的方法的编码率失真性能更高。实验结果见表1和表2。
由表1可见，对于所有的视频，本发明实施例1方法对应的BE均值最小，为0.1869，相比于其他三种方法，本发明实施例1方法的码率估计准确度更高。
表1本发明实施例1方法对应的比特估计误差BE取值
序列名 EBA-PRC FRBA-PRC ARBA-PRC 本发明方法
Overbridge 0.2711 0.2623 0.2705 0.2249
Lowlight 0.4338 0.4370 0.4355 0.4336
Metro 0.0734 0.0719 0.0729 0.0684
Runners 0.0342 0.0302 0.0300 0.0210
均值 0.2031 0.2003 0.2022 0.1869
表2给出了所有方法对应的BD-rate。由表2可见，对于所有的视频，本发明对应的BD-rate均值最小为-10.92，相比于其他三种方法，本发明实施例1方法的编码率失真性能更好。
表2本发明方法对应的率失真性能BD-rate(％)取值
序列名 EBA-PRC FRBA-PRC ARBA-PRC 本发明方法
Overbridge 0 -10.97 -11.43 -12.40
Lowlight 0 9.21 3.77 -3.10
Metro 0 -12.09 -11.77 -12.54
Runners 0 -15.40 -15.37 -15.66
均值 0 -7.31 -8.70 -10.92

Claims (3)

1.一种面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法，其特征在于由下述步骤组成：
(1)确定预编码的目标码率
关闭高效视频编码标准国际制定组织推荐的测试软件HM中的码率控制功能，设置初始量化参数QPini，QPini∈{1,2,...,51}，使用HM中默认的量化参数级联配置对监控视频前四个图像组的帧进行编码，得到第一个预编码的目标码率Rtar,per,1，按式(1)和式(2)分别得到第二个预编码的目标码率Rtar,per,2和第三个预编码的目标码率Rtar,per,3：
Rtar,per,2＝η1Rtar,per,1 (1)
Rtar,per,3＝η2Rtar,per,1 (2)
其中η1、η2为伸缩因子，η1∈(0.15,0.50]，η2∈[0.01,0.15]；
(2)预编码视频前4个图像组的帧
用HM的基于自适应比率比特分配权重的帧级码率控制方法，在第一个预编码的目标码率Rtar,per,1、第二个预编码的目标码率Rtar,per,2、第三个预编码的目标码率Rtar,per,3下分别对视频的前4个图像组的帧进行编码；
(3)确定影响第4图像组帧失真的模型参数
采用最小二乘法按式(3)拟合获得第4图像组帧的失真受其帧间参考帧影响的模型参数a4,j,r和b4,j,r：
Figure FDA0002727711720000011
其中D4,j表示第4图像组中第j个帧的失真，D4,j,r表示第4个图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的失真，j表示帧在图像组中的显示排序，j∈{1,2,...NG}，NG表示图像组大小，r表示帧间参考帧序号，r∈{1,2,...Nr}，Nr表示帧间参考帧的数目，NG和Nr为有限的正整数；
(4)确定影响第4图像组帧码率的模型参数
采用最小二乘法按式(4)拟合获得第4个图像组帧的码率受其帧间参考帧影响的模型参数d4,j,r
R4,j＝(d4,j,r)-1R4,j,r (4)
其中R4,j表示第4图像组中第j个帧的码率，R4,j,r表示第4图像组中第j个帧的第r个帧间参考帧的码率；
(5)确定第4图像组帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(5)拟合获得反映 第4图像组帧率失真特性的模型参数C4,j和K4,j：
Figure FDA0002727711720000021
(6)确定第4图像组帧参考帧率失真特性的模型参数
采用最小二乘法按式(6)拟合获得反映 第4图像组帧的帧间参考帧率失真特性的模型参数C4,j,r和K4,j,r：
Figure FDA0002727711720000022
(7)确定第4图像组帧参考帧的参考概率
按式(7)确定第4图像组帧的参考帧的参考概率P4,j,r：
Figure FDA0002727711720000023
其中N4,j,PU表示第4图像组中第j个帧的预测单元数目，N4,j,r,PU表示第4图像组中第j个帧选择第r个参考帧作为参考帧的预测单元数目；
(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数
按式(8)确定第4图像组帧的牛顿-拉夫逊参数θ4,j：
Figure FDA0002727711720000024
其中Rtar表示设定的目标码率，f表示视频帧率，w和h表示视频图像的宽度和高度，χ4,j为第4图像组中第j个帧对应的伸缩因子，按式(9)确定：
Figure FDA0002727711720000031
其中bpp表示比特每像素，bpp取值由式(10)确定：
Figure FDA0002727711720000032
(9)确定第4图像组帧分配的基础目标码率
按式(11)确定第4图像组帧对应的基础目标码率：
Figure FDA0002727711720000033
其中R4,j,bac为第4图像组中第j个帧对应的基础目标码率；
(10)确定第4图像组帧目标码率分配权重
按式(12)确定第4图像组帧对应的目标码率分配权重：
Figure FDA0002727711720000034
其中ω4,j为第4图像组中第j个帧对应的目标码率分配权重；
(11)编码监控视频
按式(13)确定视频所有图像组帧对应的目标码率分配权重：
ωi,j＝ω4,j (13)
其中ωi,j表示视频第i个图像组第j个帧对应的目标码率分配权重，i∈{1,2,...Nv}，Nv表示视频中图像组的数目，Nv为有限的正整数；
在编码器中设定目标码率Rtar，用目标码率分配权重ωi,j对监控视频进行帧级码率控制。
2.根据权利要求1所述的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法，其特征在于：在确定预编码的目标码率步骤(1)中，所述的QPini取值为22，η1取值为0.22，η2取值为0.08。
3.根据权利要求1所述的面向监控视频的高效视频编码标准帧级码率控制方法，其特征在于：在编码监控视频步骤(11)中，所使用的编码器为高效视频编码标准国际制定组织推荐的HM。
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