CN1909662A - 采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法。首先对视频编码端缓存器进行设置；然后对每个GOP进行比特数分配；接下来对当前编码的P帧进行跳帧控制，然后对当前编码的P帧进行比特数分配。该方法可支持H.263，MPEG－4和H.264等多种视频压缩标准，所应用的视频序列编码模式为GOP模式，该种编码模式适用于视频监控、网络电视等多种应用场景。比起传统的采用帧目标比特数几乎平均分配的码率控制方法，本发明提出的方法计算复杂度低，可有效提高视频质量，降低质量的波动，特别是在场景切换或剧烈运动发生时，同时，也保证了缓存器的稳定性。

Description

采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法

技术领域

本发明涉及视频传输控制相关的多媒体技术领域，特别是涉及一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法。

背景技术

在视频的实时通信中，压缩后的视频码流需要在一个复杂且有不同带宽要求的网络上进行传输。为了在任何时候都能最高效地利用网络资源，并且保证相对较高的视频图像质量，就需要对视频流的码率进行控制。如果视频编码后产生的码流码率过高，则会加重网络的传输压力，造成网络阻塞；另一方面，如果码流在产生的过程中码率发生降低，则会降低视频图像的质量，并造成对网络带宽的不充分利用。因此，需要在视频压缩过程中引入码率控制，用来在视频网络传输时控制和调整编码端输出的码流，满足网络带宽的要求，同时保证一定的视频质量。

目前最简单有效的码率控制方法是基于调节量化参数值QP来进行的。首先需要分配给当前视频帧一个合适的目标比特数，然后再决定整帧的QP值或每个宏块的QP值，使得最后量化编码后产生的实际比特数尽量接近目标比特数。

传统对视频帧中的P帧进行目标比特数分配采用几乎平均分配的方法(只会根据缓存器当前存储量进行略微地调整)，没有考虑不同P帧的编码复杂度是不同的。为了保证相对较低的视频质量波动，对于那些编码复杂度高的帧，就应该多分配一些比特数；而对于那些编码复杂度低的帧，则应少分配一些比特数。如果能在P帧的目标比特数分配过程中将帧的编码复杂度和缓存器当前存储量结合起来考虑，将能有效提高视频质量，降低质量的波动，同时保证缓存器的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法：

应用对象为前向预测帧P帧，以下所提到的帧目标比特数分配均指对P帧进行的目标比特数分配，首先对视频编码端缓存器进行设置；然后对每个GOP进行比特数分配；接下来对当前编码的P帧进行跳帧控制，然后对当前编码的P帧进行比特数分配。

1)在视频编码端缓存器进行设置过程中，缓存器是用于将编码器输出的变码率码流进行缓存，然后再以恒定码率的码流输出到网络当中；为了提高对缓存器波动的承受能力，缓存器的容积比低时延、小容积的缓存器要大，因而对P帧目标比特数的不平均分配是可行的；

通常，内部编码帧I帧会产生比P帧多很多的比特数，从而当I帧产生的比特数存入缓存器后，将导致存储量急剧上升；因此，在编码I帧之前，画面组GOP初始的缓存器存储量L_init应该设置得足够低，才能尽量避免缓存器溢出的发生；在采用帧目标比特数不平均分配的码率控制方法中，缓存器的初始存储量设置为缓存器容积的20％。

2)在对每个GOP进行比特数分配过程中，设定视频序列编码模式为GOP模式；一个GOP由固定数量的视频帧组成，GOP中的头一帧为I帧，后续帧均为P帧；整个视频序列由一连串包含相同视频帧数的GOP构成；

每个GOP所分配到的目标比特数B_GOP均一样；根据网络传输带宽的要求，B_GOP被设置为N_GOP×R/F，其中N_GOP为一个GOP中的总帧数，R为目标传输码率，F为输出帧率；

当前GOP中的I帧的量化参数QP值设置为前一个GOP中所有P帧内所有宏块的平均QP值；由于I帧是GOP中的第一帧，该设置将会有效地减少视频质量的波动，同时保证当前整个GOP的视频质量。

3)在对当前编码的P帧进行跳帧控制过程中，参照H.263参考模型TMN8或是MPEG-4参考模型VM7所采用的跳帧控制方法，进行跳帧控制；在对当前编码的P帧进行比特数分配过程中，分以下两步操作进行：

第一步：根据P帧的编码复杂度分配目标比特数，

传统的码率控制算法对于P帧目标比特数的分配采用几乎平均分配的方法即只会根据缓存器当前存储量进行略微地调整，这会造成较大的视频质量波动，由于不同的帧有不同的编码复杂度，为了提高视频质量和减小质量的波动，编码复杂度高的帧需要分配到更多的比特率，因此在帧目标比特数分配中需要考虑帧的编码复杂度；帧的编码复杂度由帧的绝对误差和来衡量；绝对误差和的计算如公式(1)所示：

$\mathrm{SAD}=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{height}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{\mathrm{width}}{\mathrm{\Σ}}}|f(i,j)-g(i,j)|---\left(1\right)$

其中

SAD是绝对误差和，

height表示帧的高度，以像素为单位，

width表示帧的宽度，以像素为单位，

f是当前帧的像素函数，g为前一帧的像素函数；

P帧目标比特数分配的详细过程如下所述：

当QP值较小的时候，如QP≤6，帧SAD和帧编码产生的比特数近似于幂函数的关系；当Qp值较大的时候，如QP＞6，帧SAD和帧编码产生的比特数近似于线性函数关系；因此可按公式(2)和(3)进行分配：

对于小的QP，QP≤6： $B_{\mathrm{tar}\_p}=\stackrel{\‾}{B_p}\×\sqrt{{\mathrm{SAD}}_{\mathrm{cur}\_p}/\stackrel{\‾}{{\mathrm{SAD}}_p}}---\left(2\right)$

对于大的QP，QP＞6： $B_{\mathrm{tar}\_p}=\stackrel{\‾}{B_p}\×{\mathrm{SAD}}_{\mathrm{cur}\_P}/\stackrel{\‾}{{\mathrm{SAD}}_p}---\left(3\right)$

其中

QP表示当前帧的QP值，利用前一帧所有宏块的平均QP值来模拟，

B_{tar_p}表示分配给当前P帧的目标比特数，

表示编码GOP中每个P帧的平均比特数，定义为(B_GOP-B_I)/(N_GOP-1)，B_GOP是GOP所分配到的目标比特数，B_I为头一个I帧编码所使用的比特数，N_GOP为一个GOP中的总帧数，

SAD_{cur_p}表示当前P帧的SAD值，

表示GOP中P帧的平均SAD值，用GOP中已编码所有P帧，包括当前P帧的平均SAD值来模拟；

接着，按公式(4)对B_{tar_p}进行限制，以防止大的缓存器波动；

$B_{\mathrm{tar}\_p}=\max \{\stackrel{\‾}{B_p}/2,\min \{3\×\stackrel{\‾}{B_p}/2,B_{\mathrm{tar}\_p}\left\}\right\}---\left(4\right)$

第二步：根据缓存器存储量进行目标比特数的调整：

仅仅根据P帧的编码复杂度来分配目标比特数会带来较大的缓存器波动，所以需要根据当前编码端缓存器的存储量来调整B_{tar_p}，调整按公式(5)进行：

B_{tar_p}＝B_{tar_p}×(4T-W)/(2T+W)          (5)

其中

T表示缓存器当前的目标存储量，以比特数为单位，

W表示缓存器当前的实际存储量，以比特数为单位；

T如公式(6)所示被定义成一个变量，在I帧产生的比特数存入缓存器后迅速上升，并在GOP末尾平缓地下降到初始的缓存器存储量L_init，L_init以比特数为单位；

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=L_{\mathrm{init}}+B_I-R/F\\ T_{k+1}=T_k+\stackrel{\‾}{B_p}-R/F\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中

B_I为GOP中头一个I帧编码所使用的比特数，

为编码GOP中每个P帧的平均比特数，

R为目标传输码率，

F为输出帧率，

T₁表示在编完GOP中第1帧，即I帧后的缓存器目标存储量，

T_k表示在编完GOP中第k帧后的缓存器目标存储量；

在上述调整后，需要按公式(7)再对B_{tar_p}进行限制，以保证一个最低的视频质量。

$B_{\mathrm{tar}\_p}=\max \{\stackrel{\‾}{B_p}/3,B_{\mathrm{tar}\_p}\}---\left(7\right)$

做完公式(7)的限制后，B_{tar_p}为最终分配给当前P帧的目标比特数。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

本发明是一种根据每帧编码复杂度的不同，对视频帧中的P帧采用不平均分配的码率控制方法，该方法可支持H.263，MPEG-4和H.264等多种视频压缩标准，所应用的视频序列编码模式为GOP模式，该种编码模式适用于视频监控、网络电视等多种应用场景。比起传统的采用帧目标比特数几乎平均分配的码率控制方法，本发明提出的方法计算复杂度低，可有效提高视频质量，降低质量的波动，特别是在场景切换或剧烈运动发生时，同时，也保证了缓存器的稳定性。

具体实施方式

本发明所提出的视频压缩码率控制方法中，对P帧目标比特数采用不平均的分配，这是对传统采用几乎平均分配方法的一种改进。本方法主要按如下步骤进行：

在码率控制实际执行过程中：

1)设定编码端缓存器的容积，可根据实际应用场景做相应设置；再将缓存器的初始存储量设置为缓存器容积的20％；

2)设定每个GOP所分配到的目标比特数B_GOP，B_GOP被设置为N_GOP×R/F，其中N_GOP为一个GOP中的总帧数，R为目标传输码率，F为输出帧率；

3)在编码GOP时，对GOP中的头一个I帧的QP值设置为，前一个GOP中所有P帧内所有宏块的平均QP值；

4)在编码GOP时，对于GOP中的每个P帧：

a)参照H.263参考模型TMN8或是MPEG-4参考模型VM7所采用的跳帧控制方法，进行跳帧控制，如果当前帧未被跳过，则进入下一步骤；否则进入下一帧的编码；

b)对当前P帧中所有宏块进行运动估计和运动补偿；记录下每个宏块的运动矢量信息和SAD值，将所有宏块的SAD值相加得到当前帧的SAD值；

c)根据P帧的编码复杂度分配帧目标比特数B_{tar_p}，分配按公式(2)和公式(3)来进行；

d)为了防止大的编码端缓存器波动，按公式(4)对B_{tar_p}进行限制；

e)根据缓存器存储量进行帧目标比特数B_{tar_p}的调整，调整按公式(5)进行；

f)按公式(7)再对B_{tar_p}进行限制，以保证一个最低的视频质量；

g)在得到当前P帧的目标比特数B_{tar_p}后，然后再计算整帧的QP值或每个宏块的QP值，使得最后量化编码后产生的实际比特数尽量接近目标比特数；可参照H.263参考模型TMN8或是MPEG-4参考模型VM7所采用的计算帧或宏块QP值的方法来进行。

本发明已在目前通用的H.263编码器上测试通过，该编码器采用了H.263中如下技术：

1)参考帧个数：1个；

2)视频序列编码类型：GOP模式，GOP大小设置为30帧；

3)整像素运动估计范围：[-16，+16]像素范围；

4)运动估计模式：16×16像素块模式、8×8像素块模式；

5)运动矢量整像素全搜索方式，支持非限制运动矢量搜索；

6)编码帧率为10帧每秒；

7)头一个I帧以QP值13进行编码。

本发明方法的试验结果表明：用foreman，mthr_dotr，news，suzie等一系列176×144像素格式的视频序列进行测试，结果显示，本发明方法可有效提高视频质量，降低质量的波动，特别是在场景切换或剧烈运动发生时；同时，也保证了缓存器的稳定性。

Claims (2)

1.一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法，其特征在于：

应用对象为前向预测帧P帧，以下所提到的帧目标比特数分配均指对P帧进行的目标比特数分配，首先对视频编码端缓存器进行设置；然后对每个GOP进行比特数分配；接下来对当前编码的P帧进行跳帧控制，然后对当前编码的P帧进行比特数分配。

2.根据权利要求1所述的一种采用帧目标比特数不平均分配的视频压缩码率控制方法，其特征在于：

1)在视频编码端缓存器进行设置过程中，缓存器是用于将编码器输出的变码率码流进行缓存，然后再以恒定码率的码流输出到网络当中；为了提高对缓存器波动的承受能力，缓存器的容积比低时延、小容积的缓存器要大，因而对P帧目标比特数的不平均分配是可行的；

通常，内部编码帧I帧会产生比P帧多很多的比特数，从而当I帧产生的比特数存入缓存器后，将导致存储量急剧上升；因此，在编码I帧之前，画面组GOP初始的缓存器存储量L_init应该设置得足够低，才能尽量避免缓存器溢出的发生；在采用帧目标比特数不平均分配的码率控制方法中，缓存器的初始存储量设置为缓存器容积的20％；

2)在对每个GOP进行比特数分配过程中，设定视频序列编码模式为GOP模式；一个GOP由固定数量的视频帧组成，GOP中的头一帧为I帧，后续帧均为P帧；整个视频序列由一连串包含相同视频帧数的GOP构成；

每个GOP所分配到的目标比特数B_GOP均一样；根据网络传输带宽的要求，B_GOP被设置为N_GOP×R/F，其中N_GOP为一个GOP中的总帧数，R为目标传输码率，F为输出帧率；

当前GOP中的I帧的量化参数QP值设置为前一个GOP中所有P帧内所有宏块的平均QP值；由于I帧是GOP中的第一帧，该设置将会有效地减少视频质量的波动，同时保证当前整个GOP的视频质量；

3)在对当前编码的P帧进行跳帧控制过程中，参照H.263参考模型TMN8或是MPEG-4参考模型VM7所采用的跳帧控制方法，进行跳帧控制；在对当前编码的P帧进行比特数分配过程中，分以下两步操作进行：

第一步：根据P帧的编码复杂度分配目标比特数

传统的码率控制算法对于P帧目标比特数的分配采用几乎平均分配的方法即只会根据缓存器当前存储量进行略微地调整，这会造成较大的视频质量波动，由于不同的帧有不同的编码复杂度，为了提高视频质量和减小质量的波动，编码复杂度高的帧需要分配到更多的比特率，因此在帧目标比特数分配中需要考虑帧的编码复杂度；帧的编码复杂度由帧的绝对误差和来衡量；绝对误差和的计算如公式(1)所示：

$\mathrm{SAD}=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{height}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{\mathrm{width}}{\mathrm{\Σ}}}|f(i,j)-g(i,j)|---\left(1\right)$

其中

SAD是绝对误差和，

height表示帧的高度，以像素为单位，

width表示帧的宽度，以像素为单位，

f是当前帧的像素函数，g为前一帧的像素函数；

P帧目标比特数分配的详细过程如下所述：

当QP值较小的时候，如QP≤6，帧SAD和帧编码产生的比特数近似于幂函数的关系；当QP值较大的时候，如QP＞6，帧SAD和帧编码产生的比特数近似于线性函数关系；因此可按公式(2)和(3)进行分配：

对于小的QP，QP≤6： $B_{\mathrm{tar}\_p}=\stackrel{\‾}{B_p}\×\sqrt{{\mathrm{SAD}}_{\mathrm{cur}\_p}/\stackrel{\‾}{{\mathrm{SAD}}_p}}---\left(2\right)$

对于大的QP，QP＞6： $B_{\mathrm{tar}\_p}=\stackrel{\‾}{B_p}\×{\mathrm{SAD}}_{\mathrm{cur}\_p}/\stackrel{\‾}{{\mathrm{SAD}}_p}---\left(3\right)$

其中

QP表示当前帧的QP值，利用前一帧所有宏块的平均QP值来模拟，

B_{tar_p}表示分配给当前P帧的目标比特数，

表示编码GOP中每个P帧的平均比特数，定义为(B_GOP-B_I)/(N_GOP-1)，B_GOP是GOP所分配到的目标比特数，B_I为头一个I帧编码所使用的比特数，N_GOP为一个GOP中的总帧数，

SAD_{cur_p}表示当前P帧的SAD值，

表示GOP中P帧的平均SAD值，用GOP中已编码所有P帧，包括当前P帧的平均SAD值来模拟；

接着，按公式(4)对B_{tar_p}进行限制，以防止大的缓存器波动；

$B_{\mathrm{tar}\_p}=\max \{\stackrel{\‾}{B_p}/2,\min \{3\×\stackrel{\‾}{B_p}/2,B_{\mathrm{tar}\_p}\left\}\right\}---\left(4\right)$

第二步：根据缓存器存储量进行目标比特数的调整：

仅仅根据P帧的编码复杂度来分配目标比特数会带来较大的缓存器波动，所以需要根据当前编码端缓存器的存储量来调整B_{tar_p}，调整按公式(5)进行：

B_{tar_p}＝B_{tar_p}×(4T-W)/(2T+W)            (5)

其中

T表示缓存器当前的目标存储量，以比特数为单位，

W表示缓存器当前的实际存储量，以比特数为单位；

T如公式(6)所示被定义成一个变量，在I帧产生的比特数存入缓存器后迅速上升，并在GOP末尾平缓地下降到初始的缓存器存储量L_init，L_init以比特数为单位；

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=L_{\mathrm{init}}+B_l-R/F\\ T_{k+1}=T_k+\stackrel{\‾}{B_p}-R/F\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中

B_l为GOP中头一个I帧编码所使用的比特数，

为编码GOP中每个P帧的平均比特数，

R为目标传输码率，

F为输出帧率，

T₁表示在编完GOP中第1帧，即I帧后的缓存器目标存储量，

T_k表示在编完GOP中第k帧后的缓存器目标存储量；

在上述调整后，需要按公式(7)再对B_{tar_p}进行限制，以保证一个最低的视频质量。

$B_{\mathrm{tar}\_p}=\max \{\stackrel{\‾}{B_p}/3,B_{\mathrm{tar}\_p}\}---\left(7\right)$

做完公式(7)的限制后，B_{tar_p}为最终分配给当前P帧的目标比特数。