CN114095729B - 一种低延时视频编码码率控制方法 - Google Patents

一种低延时视频编码码率控制方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种低延时视频编码码率控制方法，所述方法包括判断当前帧是否需要质量刷新，再根据判断结果初始化量化步长；然后再通过梯度下降法确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系，进而预测当前帧的比特数；根据预测当前帧的比特数进一步调整量化步长，最后映射为当前帧的QP参数。本发明提供的码率控制方法能大大提升视频质量同时不会引起显著的码率提升，且本发明使用的算法精读高，复杂度低，降低了编码延时。

Description

一种低延时视频编码码率控制方法
技术领域
本发明涉及图像编码技术领域，具体涉及一种低延时视频编码码率控制方法。
背景技术
编码的码率控制是指，通过选择一系列编码参数，使得视频编码后的比特率满足所需要的速率限制，并且使得编码失真尽量小。其中，编码参数需要编码前或者编码过程中确定，视频编码后的比特数需要编码后才能知道，而编码参数决定最终比特率，于是这里就产生了一种“鸡蛋悖论”。
在视频编码的码率控制中，如果试图在给定目标码率限制下编码，一般做法先估计出当前码控单元的编码代价，然后由预测出当前码控单元的比特数，接着通过调整量化步长使预测比特数趋向于目标比特数，最后使用真实编码比特数更新比特预测算法，以更精确的预测下一个编码单元的比特数。经过大量的实验得出，当前码控单元的编码代价，编码比特数和量化步长满足以下关系：
Figure 951489DEST_PATH_IMAGE001
，其中，cost为编码代价，q为量化步长，bits为编码比特数，coef和offset为系数。确定系数coef和offset的一般方法是通过一组历史已知的编码代价，量化步长和相应的比特消耗数组来做简单的推算。该方法能根据快速确定系数coef以及offset，并预测编码比特数。但是该方法过于简单，不能很好的适应视频内容的变化。
此外，传统码率控制方法中为了节省码率，往往会将视频内容变化较小的视频帧设置较大的量化步长，分配较小的比特数；反之，若视频内容变化大，则设置较小的量化步长，分配较大的比特数。这种码率分配方式可以在一定程度上平衡画质和码率，但是，传统的码率控制方法对于视频内容变化不大的情况下，在保证画质方面略显不足。当视频内容变化较小时，由于量化步长设置的较大，使得被参考帧失真较大。如果能够周期性的分配合理的比特数对视频帧的质量进行刷新，可以大大提高参考帧的质量，进而提高被参考帧的质量，同时也达到了节省码率的效果。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出了一种低延时视频编码码率控制方法。具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
对当前帧进行预分析，获取当前帧的编码代价。
根据所述当前帧的编码代价和预设的判定条件，按照判定流程判定当前帧是否需要进行周期性质量刷新。
根据所述判定当前帧是否为需要进行周期性质量刷新的判定结果获得当前帧的初始化量化步长。
确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系。
所述确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系，包括：
获取历史视频帧的编码信息；
根据所述历史视频帧的编码信息以及所述当前帧的初始化量化步长确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系。
根据所述编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系和所述当前帧的初始化量化步长预测当前帧的比特数。
根据当前帧的预测比特数调整量化步长。
根据所述调整后的量化步长映射获得当前帧的QP参数，并使用所述QP参数对当前帧进行编码。
由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：1. 本发明通过周期性地通过增大分配比特数来刷新视频帧的画面质量，在视频内容变化较小的情况下能够大大提升视频质量而不会引起显著的码率提升，尤其是在画面几乎静止，使用SKIP编码模式的场景下，质量提升的效果尤为显著，有效的利用了带宽；2. 本发明使用了梯度下降法，通过多次迭代收敛拟合确定了更为精确的编码代价、量化步长和比特消耗数的函数关系；3. 本发明使用的算法复杂度低，大大降低了编码的延时，尤其对于没有B帧的场景，低延时效果尤为明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施列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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是一种低延时视频编码码率控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种低延时视频编码码率控制方法的执行主体可以为一种视频编码装置，如：视频编码器。其中，该视频编码装置可以为现有视频编码软件中的插件，或者，独立的功能软件，这都是合理的。并且，该视频编码装置可以应用于终端中，也可以应用于服务器中。
图1示出了一种低延时视频编码码率控制方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的一种低延时视频编码码率控制方法，具体包括如下内容：
步骤101，对当前帧进行预分析，获取当前帧的编码代价。
所述当前帧的编码代价包括：当前帧的预分析编码代价、当前帧的预分析帧内预测编码代价、当前帧的预分析帧间编码代价。
具体地，所述对当前帧进行预分析，获取当前帧的编码代价包括：
对视频的图像帧进行下采样。
对下采样后的图像帧分成大小相同的宏块。
倒序遍历每个宏块得到块级最小帧内预测编码代价和块级最小帧间预测编码代价，取所述块级最小帧内预测编码代价和块级最小帧间预测编码代价中较小者为当前宏块的预分析编码代价。
具体地，帧内预测模式包括但不限于DC模式，垂直方向预测模式，水平方向预测模式，计算相应的编码代价，选择其中的最佳编码代价作为最小帧内预测编码代价。
当前宏块以编码顺序前一帧作为参考帧进行帧间预测，在运动搜索后，选择最小的编码代价作为最小帧间预测编码代价。
累加当前帧中所有的所述当前宏块的预分析编码代价为当前帧的预分析编码代价，累加当前帧中所有的所述块级最小帧内预测编码代价为当前帧的预分析帧内预测编码代价，累加当前帧中所有的所述块级最小帧间预测编码代价为当前帧的预分析帧间预测编码代价。
步骤102，根据所述当前帧的预分析编码代价和预设的判定条件，按照判定流程判定当前帧是否需要进行周期性质量刷新。
具体地，所述判定流程包括：
当当前帧距离上一次质量刷新的距离大于预设的周期性刷新间隔interval时，对当前帧进行判定。
若当前帧满足所述判定条件，则当前帧需要进行周期性质量刷新，否则，当前帧不需要进行周期性质量刷新。
所述预设的判定条件为
Figure 540733DEST_PATH_IMAGE002
其中costinter为当前帧的预分析帧间编码代价，costintra为当前帧的预分析帧内编码代价，factor为质量刷新需求因子。
可选地，若判定当前帧不需要进行周期性质量刷新，则更新质量刷新因子以便调节所述预设的判定条件
Figure 258153DEST_PATH_IMAGE003
其中，0＜k＜1。
步骤103，根据所述判定当前帧是否为需要进行周期性质量刷新的判定结果获得当前帧的初始化量化步长。
Figure 591046DEST_PATH_IMAGE004
其中，cplx为当前视频帧的复杂度，ratefactor码率分配因子，m为系数，0＜m＜1。
可选地，所述当前视频帧的复杂度计算方法为：
Figure 343101DEST_PATH_IMAGE005
Figure 837667DEST_PATH_IMAGE006
Figure 42384DEST_PATH_IMAGE007
其中，costframe为当前帧的预分析编码代价， cplxsumcurr为当前帧的累积编码复杂度，cplxsumprev为编码顺序前一帧的累积编码复杂度，cplxcountcurr为当前帧编码复杂度的统计数，cplxcountprev为编码顺序前一帧编码复杂度的统计数。
可选地，所述码率分配因子的计算方法为：
Figure 178967DEST_PATH_IMAGE008
Figure 644583DEST_PATH_IMAGE009
若当前帧需要进行周期性质量刷新：
Figure 310051DEST_PATH_IMAGE010
若当前帧不需要进行周期性质量刷新：
Figure 2064DEST_PATH_IMAGE011
其中，ratefactor0为码率控制因子初始值，wantedbits为根据编码顺序前一帧推算出的当前帧预期分配的比特数，bitrate为码率，fps为帧率，lastframe_bits为编码顺序前一帧图像帧消耗的比特数，cplx为当前帧的复杂度，scale为设置的质量刷新强度，interval为设置的周期性质量刷新间隔。
步骤104，确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系。
所述确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系，包括：
步骤1041，获取历史视频帧的编码信息。
所述历史视频帧的编码信息包括：编码代价，量化步长，编码消耗的比特数。
具体地，所述获取历史视频帧的编码信息，包括：
利用滑动窗口建立（cost, bits，q）数据集队列，定义一个队列数据集的大小为S。
即获取当前帧编码顺序前S帧的帧级编码代价、帧级编码消耗的比特数，以及相应的编码量化步长q。
更新方法为丢弃窗口中的第一个位置上的数据，所有数据顺次前移一位，新的数据插入队列的最后一个位置，以此类推更新数据集队列，收集数据。
步骤1042，根据所述历史视频帧的编码信息以及步骤103中得到的所述当前帧的初始化量化步长确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系。
经过大量的实验，编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间满足以下关系
Figure 411179DEST_PATH_IMAGE012
其中，coef和offset为算法系数，cost为编码代价，q为量化步长，bits为编码比特数。
根据所述历史视频帧的编码信息可以更新得到满足上述关系的算法系数。
若收集的数据集小于S时，通过编码顺序前一帧的所述编码信息确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系的算法如下：
Figure 606668DEST_PATH_IMAGE013
Figure 985915DEST_PATH_IMAGE014
需要说明的是，1.5为修正系数，不具有限制作用，实际应用时候可以根据实际情况进行设置；
Figure 24278DEST_PATH_IMAGE015
Figure 237084DEST_PATH_IMAGE016
Figure 552659DEST_PATH_IMAGE017
需要说明的是，0.5为权重系数，不具有限制作用，实际应用时候可以根据实际情况进行设置。
其中coefold和offsetold为编码顺序前一帧更新的算法系数，q、bits、cost分别为收集的编码顺序前一帧的量化步长，比特数和编码代价。
更新编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间的关系式：
Figure 559929DEST_PATH_IMAGE018
。
若收集的数据集等于S时，所述确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系的算法如下：
定义coef的梯度coef_grade初始值为0，offset的梯度offset_grade初始值为0；
Figure 960955DEST_PATH_IMAGE019
（1）
Figure 977453DEST_PATH_IMAGE020
（2）
Figure 272168DEST_PATH_IMAGE021
（3）
重复公式（1）~（3）直至i=S-1 （4）
Figure 715918DEST_PATH_IMAGE022
（5）
Figure 604240DEST_PATH_IMAGE023
（6）
重复（1）~（6）N次后得到coefnew和offsetnew，N为预先设置的优化轮数。
更新编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间的关系式：
Figure 158849DEST_PATH_IMAGE018
。
步骤105，根据所述更新后的编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间的关系式预测当前帧的比特数。
算法如下：
Figure 183437DEST_PATH_IMAGE024
。
步骤106，根据当前帧的预测比特数以及VBV的缓冲区上限调整量化步长。
具体地，
Figure 63668DEST_PATH_IMAGE025
其中，q为编码量化步长且q的初始值为q0，a和b为修正系数，a＞1，0＜b＜1。
步骤107，根据所述调整后的量化步长获得当前帧的QP参数，并使用所述QP参数对当前帧进行编码。
所述根据所述调整后的量化步长获得当前帧的QP参数的算法为：
Figure 298341DEST_PATH_IMAGE026
需要说明的是，上述算法中的12，6，0.85均为经验值，不具有限制作用，在实际应用时可根据实际情况设置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，包括：
对当前帧进行预分析，获取当前帧的编码代价；
根据所述当前帧的编码代价和预设的判定条件，按照判定流程判定当前帧是否需要进行周期性质量刷新，
其中，所述预设的判定条件为
Figure 56265DEST_PATH_IMAGE001
costinter为当前帧的预分析帧间编码代价，costintra为当前帧的预分析帧内编码代价，factor为质量刷新需求因子；
所述判定流程包括：
当当前帧距离上一次质量刷新的距离大于预设的周期性刷新间隔时，对当前帧进行判定；
若当前帧满足所述预设的判定条件，则当前帧需要进行周期性质量刷新，否则，当前帧不需要进行周期性质量刷新；
根据所述判定当前帧是否为需要进行周期性质量刷新的判定结果获得当前帧的初始化量化步长，算法公式如下：
Figure 103724DEST_PATH_IMAGE002
其中，cplx为当前视频帧的复杂度，ratefactor码率分配因子，m为系数，0＜m＜1；
所述当前视频帧的码率分配因子算法为：
Figure 364941DEST_PATH_IMAGE003
Figure 705924DEST_PATH_IMAGE004
若当前帧需要进行周期性质量刷新：
Figure 13802DEST_PATH_IMAGE005
若当前帧不需要进行周期性质量刷新：
Figure 564869DEST_PATH_IMAGE006
其中，ratefactor0为码率控制因子初始值，wantedbits为根据编码顺序前一帧推算出的当前帧预期分配的比特数，bitrate为码率，fps为帧率，lastframe_bits为编码顺序前一帧图像帧消耗的比特数，cplx为当前帧的复杂度，scale为设置的质量刷新强度，interval为设置的周期性质量刷新间隔；
确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系；
根据所述编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系和所述当前帧的初始化量化步长预测当前帧的比特数；
根据当前帧的预测比特数调整量化步长；
根据所述调整后的量化步长映射获得当前帧的QP参数，并使用所述QP参数对当前帧进行编码。
2.根据权利要求1所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述当前帧的编码代价包括当前帧的预分析编码代价、当前帧的预分析帧内预测编码代价、当前帧的预分析帧间编码代价。
3.根据权利要求1所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述对当前帧进行预分析，获取当前帧的编码代价，包括：
对视频的图像帧进行下采样；
对下采样后的图像帧分成大小相同的宏块；
倒序遍历每个宏块得到块级最小帧内预测编码代价和块级最小帧间预测编码代价，取所述块级最小帧内预测编码代价和块级最小帧间预测编码代价中较小者为当前宏块的预分析编码代价；
累加当前帧中所有的所述当前宏块的预分析编码代价为当前帧的预分析编码代价，累加当前帧中所有的所述块级最小帧内预测编码代价为当前帧的预分析帧内预测编码代价，累加当前帧中所有的所述块级最小帧间预测编码代价为当前帧的预分析帧间预测编码代价。
4.根据权利要求1所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系，包括：
获取历史视频帧的编码信息；
根据所述历史视频帧的编码信息以及所述当前帧的初始化量化步长确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系。
5.根据权利要求4所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述获取历史视频帧的编码信息，包括：
利用滑动窗口建立（cost, bits，q）数据集队列，定义一个队列数据集的大小为S；
即获取当前帧编码顺序前S帧的帧级编码代价、帧级编码消耗的比特数，以及相应的编码量化步长q；
更新方法为丢弃窗口中的第一个位置上的数据，所有数据顺次前移一位，新的数据插入队列的最后一个位置，以此类推更新数据集队列，收集数据。
6.根据权利要求4所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述根据所述历史视频帧的编码信息以及所述当前帧的初始化量化步长确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系，包括：
若收集的数据集小于S时，通过编码顺序前一帧的所述编码信息确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系的算法如下：
Figure 849351DEST_PATH_IMAGE007
Figure 169474DEST_PATH_IMAGE008
Figure 910902DEST_PATH_IMAGE009
Figure 824632DEST_PATH_IMAGE010
Figure 162072DEST_PATH_IMAGE011
其中coefold和offsetold为编码顺序前一帧更新的算法系数，q、bits、cost分别为收集的编码顺序前一帧的量化步长，比特数和编码代价；
更新编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间的关系式：
Figure 120057DEST_PATH_IMAGE012
若收集的数据集等于S时，所述确定编码代价、量化步长以及比特消耗数之间的函数关系的算法如下：
定义coef的梯度coef_grade初始值为0，offset的梯度offset_grade初始值为0；
Figure 251961DEST_PATH_IMAGE013
（1）
Figure 528353DEST_PATH_IMAGE014
（2）
Figure 403905DEST_PATH_IMAGE015
（3）
重复公式（1）~（3）直至i=S-1 （4）
Figure 213467DEST_PATH_IMAGE016
（5）
Figure 657218DEST_PATH_IMAGE017
（6）
重复（1）~（6）N次后得到coefnew和offsetnew，N为预先设置的优化轮数；
更新编码代价，编码消耗比特数以及编码量化步长之间的关系式：
Figure 670173DEST_PATH_IMAGE012
。
7.根据权利要求1所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述根据当前帧的预测比特数以及VBV的缓冲区上限调整量化步长：
Figure 917791DEST_PATH_IMAGE018
其中，q为编码量化步长且q的初始值为q0，a和b为修正系数，a＞1，0＜b＜1。
8.根据权利要求1所述的一种低延时视频编码码率控制方法，其特征在于，所述根据所述调整后的量化步长获得当前帧的QP参数的算法为：
Figure 145641DEST_PATH_IMAGE019
其中，w、e和t为系数，q为量化步长。
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