CN114339241A - 视频码率控制方法 - Google Patents

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CN114339241A CN202111567675.0A CN202111567675A CN114339241A CN 114339241 A CN114339241 A CN 114339241A CN 202111567675 A CN202111567675 A CN 202111567675A CN 114339241 A CN114339241 A CN 114339241A
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gop
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video
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廖义
谢亚光
李日
黄进
陈勇
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Hangzhou Arcvideo Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种视频码率控制方法，包括：编码器将一个视频分为若干个GOP，每个GOP包含若干帧，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率；进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配。

Description

视频码率控制方法
技术领域
本发明属于视频编码技术领域，具体涉及一种监控视频码率控制方法。
背景技术
随着网络通信和视频处理技术的快速发展，视频监控越来越广泛地应用到人们生活中的各个方面，如银行、地铁、道路、社区监控。传统视频监控拍摄后的视频码率通常为4000kbps左右，但由于网络带宽有限，不可能在中心端多路视频同时调阅，因此出现了一些低码率的视频监控系统，如基于边缘计算的视频监控，将边缘端拍摄的视频码率压缩至400kbps～1300kbps，这样在中心端调阅的路数便可以增加到传统方法的3～10倍左右，调阅效率大大增加。当然，码率的降低意味着视频质量会降低，因此，如何在减少码率的同时又能保证视频质量，是该类低码率的视频监控技术发展的关键。
码率控制属于视频编码的一个重要环节，参见图1，所示为一般码率控制流程图，视频序列进行编码压缩后通过网络传输给解码器得到重建序列。编码压缩时的码率控制如下：通过获取视频信源特性(如运动剧烈程度、图像纹理复杂度等)和可用网络带宽来计算视频中每一帧图像和该图像中的各个区域应该分配的比特数和量化参数，指导编码器对视频进行编码，使输出的码流符合信道的传输，同时使输出的视频质量尽可能好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种视频码率控制方法，用于根据运动复杂度和ROI个数，构建短期复杂度因子来调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明实施例提供一种视频码率控制方法，包括：
编码器将一个视频分为若干个GOP，每个GOP包含若干帧，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；
进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率；
进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配。
一种可能设计中，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率包括：
定义GOP的目标码率RGOP为：
Figure BDA0003422236760000021
其中TB代表网络带宽，Fr代表视频播放帧率，N代表一个GOP中的帧数。
一种可能设计中，进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率包括：
第i帧的短期模糊复杂度C(i)的计算为：
Figure BDA0003422236760000022
其中M(i)为第i帧中运动矢量绝对值大于16的CU个数，RT(i)为第i帧中ROI区域的CU个数，短期模糊复杂度C(i)表示当前帧和此前帧的帧级复杂度的加权值，用它来衡量各帧复杂度，减少单帧复杂度波动过大对帧级码率控制；
S(i)为短期模糊复杂度对应的统计帧数：
Figure BDA0003422236760000031
计算出第i帧的码率分配系数α(i)：
Figure BDA0003422236760000032
其中T为当前帧中CU个数，TH1和TH2为常数，TH1的取值范围在[0,1]之间，TH2的取值范围在[0,1]之间；
计算出第i帧的目标码率RF(i)：
Figure BDA0003422236760000033
一种可能设计中，进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配包括：
定义第i帧中第j个CU的ROI权重因子为β(i,j)，第i帧中第j个CU的复杂度为MAD(i,j)，则第i帧中第j个CU的目标码率RCU(i,j)为：
Figure BDA0003422236760000034
其中，
Figure BDA0003422236760000035
一种可能设计中，编码器为HEVC、H.264、H.266、AVS、AVS2或AVS3中的一种。
采用本发明具有如下的有益效果：如何在减少传输码率的同时保持较好的视频主观质量，是低码率下的监控视频编码的关键。在视频编码中，各帧的重要性不一样，所需要的码率也不一样，本发明实施例的视频码率控制方法根据运动复杂度和ROI个数，构建短期复杂度因子来调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率，同时能使帧间质量波动较小，获得较高的视频主观体验。
附图说明
图1为现有技术中一般码率控制流程图；
图2为本发明实施例的视频码率控制方法的步骤流程图。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
码率控制基本可以分为三层：GOP(Group ofPicture)层码率控制、帧层码率控制和CU(Coding Unit,编码单元)层码率控制。编码器将一个视频分为若干个GOP，每个GOP包含若干帧，GOP层码率控制用于根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；帧层码率控制用于将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据各帧的复杂度计算各帧的目标码率，在帧级码率控制中应该使连续帧之间质量波动尽可能小，否则编码输出的视频看起来时好时坏，严重影响主观感受；CU层码率控制将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度进行比特分配，越复杂的CU分配越多的码率，其中CU复杂度通常用MAD(Mean AbsoluteDifferences)来衡量。
视频帧与帧之间的数据有极强的相似性，称之为时域冗余信息，帧间编码技术可以去除时域冗余，提升压缩比。帧间编码利用邻近帧之间存在的相关性，将一帧图像分成若干个CU(Coding Unit,编码单元)，并设法搜索出每个CU在邻近帧中像素值最相近的块，称之为匹配块，计算出当前CU和匹配块之间的空间位置的相对偏移量，得到的相对偏移量就是运动矢量，而得到运动矢量的过程被称为运动估计，运动矢量绝对值的取值范围是(0,
Figure BDA0003422236760000051
)，其中w为帧在水平方向的像素个数，h为帧在竖直方向的像素个数。对于运动区域多的帧，因为运动估计匹配误差会形成较多编码残差，同时需要帧内编码块来填补参考帧中未出现的块，因此该类帧需要消耗较多码率。
ROI(Region ofInterest，感兴趣区域)是从图像中选择的一个最易引起用户兴趣的图像区域。例如在地铁监控视频中，用户更倾向于关注人脸、行李，而不太关注旁边的广告牌、墙壁，此时视频中的人脸和行李便可归为ROI。基于ROI的监控视频编码可以对ROI区域做无损压缩或近无损压缩，这也意味着ROI区域需要更多的码率来描述。
根据以上定义，本发明实施例公开了一种视频码率控制方法，包括：
编码器将一个视频分为若干个GOP，每个GOP包含若干帧，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；
进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率；
进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配。
本发明一实施例中，具体地，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率包括：
计算出各个GOP的目标码率RGOP：
Figure BDA0003422236760000052
其中TB代表网络带宽，Fr代表视频播放帧率，N代表一个GOP中的帧数；
帧层码率控制时，定义M(i)为第i帧中运动矢量绝对值大于16的CU个数，RT(i)为第i帧中ROI区域的CU个数，定义第i帧的短期模糊复杂度C(i)的计算为：
Figure BDA0003422236760000061
短期模糊复杂度C(i)表示当前帧和此前帧的帧级复杂度以不同比例系数的加权值，用它来衡量各帧复杂度，可以减少单帧复杂度波动过大对帧级码率控制的影响，定义S(i)为短期模糊复杂度对应的统计帧数：
Figure BDA0003422236760000062
计算出第i帧的码率分配系数α(i)：
Figure BDA0003422236760000063
其中T为当前帧中CU个数，TH1和TH2为常数，TH1的取值范围在[0,1]之间，典型值为0.3，TH2的取值范围在[0,1]之间，典型值为0.05。
计算出第i帧的目标码率RF(i)：
Figure BDA0003422236760000064
在CU层码率控制，定义第i帧中第j个CU的ROI权重因子为β(i,j)，第i帧中第j个CU的复杂度为MAD(i,j)，则第i帧中第j个CU的目标码率RCU(i,j)为：
Figure BDA0003422236760000065
其中，
Figure BDA0003422236760000071
本发明实施例中，编码器可以是HEVC、H264、MPEG4、AVS、AVS2、AVS3中的任一一种。
如何在减少传输码率的同时保持较好的视频主观质量，是低码率下的监控视频编码的关键。在视频编码中，各帧的重要性不一样，所需要的码率也不一样。通过以上技术方案，本发明实施例根据运动复杂度和ROI个数，构建短期模糊复杂度因子来调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率，同时能使帧间质量波动较小，获得了较高的视频主观体验。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (5)

1.一种视频码率控制方法，其特征在于，包括：
编码器将一个视频分为若干个GOP，每个GOP包含若干帧，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率；
进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率；
进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配。
2.如权利要求1所述的视频码率控制方法，其特征在于，进行GOP层码率控制，根据视频特性和网络带宽计算各个GOP的目标码率包括：
定义GOP的目标码率RGOP为：
Figure FDA0003422236750000011
其中TB代表网络带宽，Fr代表视频播放帧率，N代表一个GOP中的帧数。
3.如权利要求2所述的视频码率控制方法，其特征在于，进行帧层码率控制，将一个GOP的目标码率划分到GOP中的各个帧，根据运动复杂度和ROI个数，构建模糊复杂度因子调整各帧的目标码率，使运动量大和ROI数量多的场景分配较多码率包括：
第i帧的短期模糊复杂度C(i)的计算为：
Figure FDA0003422236750000012
其中M(i)为第i帧中运动矢量绝对值大于16的CU个数，RT(i)为第i帧中ROI区域的CU个数，短期模糊复杂度C(i)表示当前帧和此前帧的帧级复杂度的加权值，用它来衡量各帧复杂度，减少单帧复杂度波动过大对帧级码率控制；
S(i)为短期模糊复杂度对应的统计帧数：
Figure FDA0003422236750000021
计算出第i帧的码率分配系数α(i)：
Figure FDA0003422236750000022
其中T为当前帧中CU个数，TH1和TH2为常数，TH1的取值范围在[0,1]之间，TH2的取值范围在[0,1]之间；
计算出第i帧的目标码率RF(i)：
Figure FDA0003422236750000023
4.如权利要求3所述的视频码率控制方法，其特征在于，进行CU层码率控制，将一帧分成若干个CU，并对各个CU根据复杂度和重要度进行比特分配包括：
定义第i帧中第j个CU的ROI权重因子为β(i,j)，第i帧中第j个CU的复杂度为MAD(i,j)，则第i帧中第j个CU的目标码率RCU(i,j)为：
Figure FDA0003422236750000024
其中，
Figure FDA0003422236750000025
5.如权利要求1至4任一所述的视频码率控制方法，其特征在于，编码器为HEVC、H.264、H.266、AVS、AVS2或AVS3中的一种。
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