CN113259662A - 基于三维小波视频编码的码率控制方法 - Google Patents

基于三维小波视频编码的码率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于三维小波视频编码的码率控制方法，通过提取基于运功轨迹的时域补偿后的残差的能量和方差信息，分别建立帧间码率控制算法和帧内子带量化方法，并利用帧间码率控制算法对单帧进行帧级码率控制，利用帧内子带量化算法对单帧数据进行子带级码率控制。所描述的码率控制方法应用运动补偿后的残差数据进行建模，减少了建模的复杂度。而且本发明不仅使解码后的视频具有更好的视觉效果，在带宽有限的情况下，能够更加有效的实现比特分配。

Description

基于三维小波视频编码的码率控制方法
技术领域
本发明涉及视频编码领域中的码率控制方法，具体为一种基于三维小波视频编码的码率控制方法。
背景技术
近年来，随着数码技术的不断发展，数字多媒体设备在人们的生活中变得越来越重要。在实际应用中，由于带宽的限制，码率控制技术一直是视频编码中的关键技术之一。码率控制的核心在于如何在编码比特率的大小和视频的压缩质量间寻求一个平衡点。
现有码率控制方法，大多数是根据流量大小，将流量平均分配到各个帧组；这使得流量不能够被充分利用，且简单的流量平均分配会降低视频质量，且现有可适用于流量高效分配的码率控制方法，虽然可以获得高质量视频，但是其复杂度过高。
发明内容
为了解决现有码率控制方法通过流量平均分配到各个帧组导致的视频复原质量较低与通过流量高效分配到各个帧组复杂度高的问题，本发明提供一种基于三维小波视频编码的码率控制方法。
本发明的核心在于利用帧间信息，结合人眼的视觉特性，从帧级和子带级对码率进行控制；在绝大多数的应用中，人眼是最终的接受者和观察者，因此在图像编码中若能充分利用人眼视觉特性，利用掩蔽特性，可以在实际失真更大的条件下只感觉出相同的失真。这样，便可以在不影响实际观看的效果下，获得更低的编码比特率。另外，利用时域滤波后残差数据进行计算处理，在复杂度和实现的难易度上均比较简单，具有简便易行的特点。
本发明的技术方案是提供一种基于三维小波视频编码的码率控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、对于一个包含N帧图像的帧组进行基于运动轨迹的时域滤波；
步骤二、计算时域滤波后高低频帧中每一帧的能量和方差；
步骤三、结合时域滤波后每一帧的能量与当前帧所在的时域滤波级数，计算当前帧的能量所占整个帧组能量的比率，并通过该比率计算一个能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，在码率控制中用能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数修改原有的目标比特数平均分配公式，得到修改后的目标比特数平均分配公式；
步骤四、结合时域滤波后每一帧的方差与当前帧所在的时域滤波级数，计算每个子带方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，利用方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，对每个子带的量化步长进行调整，修改原始的子带量化矩阵，得到修改后的子带量化矩阵；
步骤五、根据修改后的目标比特数平均分配公式与子带量化矩阵进行后续编码。
进一步地，步骤一具体为：
对一个帧组中的N＝2n帧图像，其中，n为时域滤波的级数，以相邻三帧为基本单位，采用5/3小波进行运动估计，按照运动轨迹进行时域滤波；当不足三帧时，采用Haar小波进行时域滤波处理。
进一步地，步骤二中低频帧先去除直流分量后再计算每帧的能量和方差。
进一步地，步骤二中通过下式计算能量和方差：
能量：
Figure BDA0003024749830000031
方差：
Figure BDA0003024749830000032
其中，coeff(i,j)代表图像在i,j的像素值，M，N代表图像的长宽。
进一步地，步骤三中当前帧的能量所占整个帧组能量的比率ratio通过式(3)计算：
ratio＝Energyl/EnergyGOP (3)；
其中，Energyl为当前帧组中第l帧能量，EnergyGOP为整个帧组能量；
步骤三中能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数通过式(4)计算：
α(ratio,n)＝ratio*1/(3n+1) (4)；
其中，n为当前帧所在的时域滤波级数；
步骤三中修改后的目标比特数平均分配公式为式(5)：
Bitl＝BitGOP/N*α(ratio,n) (5)；
其中，Bitn为当前帧组中第l帧分配的比特数，BitGOP为当前帧组整个分配的比特数，N为当前帧组的总帧数。结合了当前帧在整个帧组(帧组)中的能量贡献以及考虑到了与能量相关的不同时域滤波级数下人眼的视觉权重系数α(ratio,n)。实现码率在帧组内各个帧上的高效分配。
进一步地，步骤四中计算方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数α(idx)，计算公式为：
α(idx)＝Varianceorient/(Variance*n) (6)；
其中orient为子带编号，Varianceorient为对应子代根据公式(2)计算得到的子带方差。
步骤四中修改后的子带量化矩阵为：
Qnew(orient,idx,n)＝Q(orient)*α(idx) (7)
其中，Q(orient)为初始分配量化矩阵；根据时域滤波后每一帧的方差对纹理边缘信息的重要性进行分级，同时结合了与方差相关的不同时域滤波级数下的权重系数，对不同重要性的子带采用不同的量化步长，有效保留重要信息，并充分压缩和去除冗余信息，提高压缩性能。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明能够根据人眼的主观特性，在不影响人眼视觉感官的前提下，有效降低码率；
本发明码率控制方法首先对于一个包含N帧图像的帧组进行基于运动轨迹的时域滤波，然后利用滤波后的残差帧的能量和方差计算权值，结合残差帧所在的时域滤波级数，分别进行帧级和子带级的码率控制，以确定目标比特数的分配策略，在帧级的码率控制中结合了当前帧在整个帧组(帧组)中的能量贡献以及考虑到了与能量相关的不同时域滤波级数下人眼的视觉权重系数α(ratio,n)，并在子带级的码率控制中根据时域滤波后每一帧的方差对纹理边缘信息的重要性进行分级，同时结合了与方差相关的不同时域滤波级数下的权重系数，对不同重要性的子带采用不同的量化步长，在三维小波压缩编码的基础上，使得本发明能够根据人眼的主观特性，在不影响人眼视觉感官的前提下，有效降低码率。
2)本发明方法简便易行；
本发明仅需要计算残差的能量与方差，时间复杂度低。
3)本发明适用范围广泛，支持多码率；
本发明中码率控制的核心是基于对时域滤波后的残差数据的处理，所以适用于所有基于运动补偿的三维小波变换编码系统。
4)本发明具有较高的信噪比和较好的图像复原质量；
本发明中在码率分配及子带量化方面做出优化，充分利用了流量信息，且优化的量化方式使得特定流量下的压缩质量更高，所以在定流量前提下，本发明的具有较高的信噪比和较好的图像复原质量。
附图说明
图1为本发明的处理流程图；
图2为本发明的时域滤波过程示意图，其中帧组大小为8；
图3为本发明的空间变换后子带示意图，其中小波级数为4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明中三维小波视频编码中的自适应码率控制算法的流程示意图。首先，对一个帧组的图像进行基于运动轨迹的时域滤波，采用Haar小波或5/3小波进行处理；其次，计算时域滤波后每一残差帧的能量和方差；然后，分别根据能量与方差，结合相应的时域滤波级数，修改码率分配策略即原有的目标比特数平均分配公式和子带量化矩阵；最后，根据修正后的码率分配策略和量化矩阵进行量化熵编码等后续处理。
如图2所示，为本发明基于运动轨迹的时域滤波过程示意图。其中MC为运动补偿，IMC为逆向运动补偿，以相邻的每三帧为一个基本单元进行时域滤波处理时，采用5/3小波进行，当不足三帧时，使用两帧的Haar小波进行处理。
接下来对于时域滤波后的每一残差帧进行处理，计算能量和方差：
能量：
Figure BDA0003024749830000061
方差：
Figure BDA0003024749830000062
其中，coeff(i,j)代表图像在i,j的像素值，M，N代表图像的长宽。
然后执行步骤三，根据步骤二中计算出来每帧的能量结合当前帧所在的时域滤波级数n，计算当前帧的能量所占整个帧组能量的比率ratio：
ratio＝Energyl/EnergyGOP (3)
Energyl为当前帧组中第l帧能量，EnergyGOP为整个帧组帧能量。并通过该比率计算能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数α(ratio,n)：
α(ratio,n)＝ratio*1/(3n+1) (4)
在码率控制中用α(ratio,n)得到当前帧的比特数分配公式，获得最佳码率控制结果。具体公式如下：
Bitl＝BitGOP/N*α(ratio,n) (5)
其中Bitl为当前帧组中第l帧分配的比特数，BitGOP为当前帧组整个分配的比特数，N为当前帧组的总帧数。
接下来执行步骤四，根据步骤二中计算得到的方差结合当前帧所在的时域滤波级数n，计算方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数α(idx)，计算公式为：
α(idx)＝Varianceorient/(Variance*n) (6)
其中orient为子带编号，Varianceorient为对应子代根据公式(2)计算得到的子带方差。对每个子带的量化步长进行调整，得到子带量化矩阵，具体公式如下：
Qnew(orient,idx,n)＝Q(orient)*α(idx) (7)
其中，Q(orient)为初始分配子带量化矩阵。
如图3所示，为本发明帧内变换后子带示意图。其中，小波级数为4级，子带数为15。
最后执行步骤五，根据步骤三、步骤四中修改的码率分配策略，进行后续的编码。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚的了解到本发明可借助软件加必须的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式：如改变时域滤波器，改用码率分配中的权重系数的确定方法等，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都可能落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于三维小波视频编码的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对于一个包含N帧图像的帧组进行基于运动轨迹的时域滤波；
步骤二、计算时域滤波后高低频帧中每一帧的能量和方差；
步骤三、结合时域滤波后每一帧的能量与当前帧所在的时域滤波级数，计算当前帧的能量所占整个帧组能量的比率，并通过该比率计算能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，在码率控制中用能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数修改原有的目标比特数平均分配公式，得到修改后的目标比特数平均分配公式；
步骤四、结合时域滤波后每一帧的方差与当前帧所在的时域滤波级数，计算每个子带方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，利用方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数，对每个子带的量化步长进行调整，修改原始的子带量化矩阵，得到修改后的子带量化矩阵；
步骤五、根据修改后的目标比特数平均分配公式与子带量化矩阵进行后续编码。
2.根据权利要求1所述的基于三维小波视频编码的码率控制方法,其特征在于，步骤一具体为：
对一个帧组中的N＝2n帧图像，其中，n为时域滤波的级数，以相邻三帧为基本单位，采用5/3小波进行运动估计，按照运动轨迹进行时域滤波；当不足三帧时，采用Haar小波进行时域滤波处理。
3.根据权利2所述的三维小波视频编码的码率控制方法，其特征在于：步骤二中，对于低频帧，先去除直流分量后再计算每一帧的能量和方差。
4.根据权利3所述的三维小波视频编码的码率控制方法，其特征在于：步骤二中通过下式计算能量和方差：
能量：
Figure FDA0003024749820000021
方差：
Figure FDA0003024749820000022
其中，coeff(i,j)代表图像在i,j的像素值，M，N代表图像的长宽。
5.根据权利1-4任一所述的三维小波视频编码的码率控制方法，其特征在于：步骤三中当前帧的能量所占整个帧组能量的比率ratio通过式(3)计算：
ratio＝Energyl/EnergyGOP (3)；
其中，Energyl为当前第l帧能量，EnergyGOP为整个帧组能量；
步骤三中能量和滤波级数相关的人眼视觉权重系数通过式(4)计算：
α(ratio,n)＝ratio*1/(3n+1) (4)；
其中，n为当前帧所在的时域滤波级数；
步骤三中修改后的目标比特数平均分配公式为式(5)：
Bitl＝BitGOP/N*α(ratio,n) (5)；
其中，Bitl为当前帧组中第l帧分配的比特数，BitGOP为当前帧组整个分配的比特数，N为当前帧组的总帧数。
6.根据权利5所述的三维小波视频编码的码率控制方法，其特征在于：
步骤四中通过式(6)计算每个子带方差和滤波级数相关的人眼视觉权重系数α(idx)：
α(idx)＝Varianceorient/(Variance*n) (6)；
其中orient为子带编号，Varianceorient为对应子带根据公式(2)计算得到的方差。
步骤四中修改后的子带量化矩阵为：
Qnew(orient,idx,n)＝Q(orient)*α(idx) (7)
其中，Q(orient)为初始分配量化矩阵。
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