CN1988659A - 一种视频编码码率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种视频编码码率控制方法,属于视频编码技术领域。该方法包括:GOP层码率控制方法中,将前面GOP剩余或超支的比特分配给后续多个GOP,大大减缓了前面GOP超支比特对于后续GOP的编码影响,有利于视频编码质量的稳定;在Frame层码率控制方法中,根据I帧图像的复杂度和预分配码率,设置其量化参数,使码率资源的利用更加合理有效;确定P帧量化参数是,引入编码质量反馈机制,即当GOP中P帧编码质量下降过快时,控制当前P帧量化参数,以遏制由于GOP剩余码率不足引起的P帧编码质量严重下降的趋势。本发明可以更合理地分配有限的码率资源,以获得更好的视频编码质量,特别适合低码率视频通信系统。
Description
技术领域
本发明属于视频编码技术领域,特别涉及视频编码控制方法。
背景技术
码率控制是视频编码的重要技术之一,在视频存储和传输等应用中起着重要作用。对于码率受限尤其是低码率的通信系统来说,码率控制显得尤为重要,将直接决定视频编码质量的优劣。在目前已有的视频编码码率控制方法中,主要由图像组(GOP-Group ofpicture,)层、帧(Frame)层和基本单元(BU-Basic unit,)层三个层次的码率控制构成。该码率控制方法具体步骤为:首先在GOP层:为各GOP预分配码率;在Frame层:在各GOP内将GOP分配得到的码率再分配给各帧图像,并为各帧图像确定量化参数;在BU层:将每帧图像划分为多个基本单元,将该帧分配得到的码率再分配给帧内各基本单元,并为其确定编码量化参数(BU层的码率控制也可省略,即每帧图像为一个基本单元)。
当前的码率控制方法中,第一个GOP的I帧量化参数由用户指定或者根据编码码率计算确定,剩余各GOP的I帧图像编码参数则根据前一个GOP的编码情况确定,但与前一个GOP的I帧量化参数差值一般限制最大为2。在各GOP编码实际码率与预分配码率相差不大时,此方法可以保证码率资源得到合理分配以获得较好的编码质量。但当视频图像特征出现较大变化时,如视频对象运动加快或者有场景切换等发生时,若某一个I帧量化参数与预分配码率不匹配导致此I帧占用过多码率资源时,从而导致下一个GOP缺乏码率资源;但下一个GOP的I帧量化参数调整速度受限导致该GOP继续占用过多码率资源,以至于影响后续多个GOP码率资源分配不合理而导致编码质量下降。有文献指出,当起始I帧采用不同的量化参数,序列编码平均信噪比相差可超过1dB。当前码率控制方法I帧量化参数方法虽然确保了相邻GOP的I帧编码质量下降缓慢,但却易造成GOP之间出现编码闪烁效应。
对于如手机电视等低码率视频编码系统来说,编码过程中任何GOP的I帧量化参数与码率资源的不匹配将带来码率资源的浪费,从而影响整个序列的编码质量。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种视频编码码率控制方法,可以更合理地分配有限的码率资源,以获得更好的视频编码质量,特别适合低码率视频通信系统。
本发明提出的一种视频编码码率控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)GOP层码率预分配
(11)以B表示给定的编码码率(即信道带宽),F表示帧速率,Ngop表示GOP长度,Rprev表示前一个GOP编码结束后剩余码率或超支码率,若当前GOP为视频序列第一个GOP,则Rprev初始值为零;
(12)若当前GOP为视频序列最后一个GOP时,则该GOP预分配码率R直接由下式确定:
(13)否则,若
则该GOP预分配码率R(当前GOP剩余帧可用码率)按下式确定:
即:上一个GOP编码剩余码率或超支码率Rprev全部分配给当前GOP,并将参数Rprev更新为零;
(14)若
则该GOP预分配码率R(当前GOP剩余帧可用码率)按下式确定:
即:上一个GOP编码剩余码率或超支码率Rprev只有部分分配给当前GOP,剩余部分将分配给后续GOP,此部分码率仍由参数Rprev表示,并更新Rprev如下式:
在上述公式中,参数m为经验值,取值范围可确定为1<m≤10,实验表明,m值越大,码率控制精度越低,反之则控制越精准。按上述分配方案,根据式(2)和式(3)可知,无论前面GOP超支比特多么严重,当前GOP预分配码率将限制在区间这将大大减缓了超支比特对于后续GOP的编码影响,有利于视频编码质量的稳定;
2)Frame层码率预分配及量化参数确定
(21)若当前帧为GOP中的I帧,首先计算当前I帧的预分配码率TI:
其中,KP和KB为权重因子,NP和NB为当前GOP未编码的P帧和B帧数量;则根据率失真模型r=M(a+blog2Q),此I帧量化参数QI为:
其中,参数a和b为模型参数,可根据已编码I帧量化参数和实际编码码率自适应更新;参数M为图像复杂度MAD值,对于序列第一个I帧,其图像复杂度M值可以直接计算得到,而对于序列中其它的I帧图像复杂度M值计算,可采取常规线性预测的方法得到,以降低编码复杂度;
(22)若当前帧为P帧,并且为第一个GOP的第一个P帧,其量化参数QP,0为:
其中,QI,0表示第一个GOP的I帧量化参数;
(23)若当前帧为除第一个GOP的第一个P帧之外的其它P帧,首先计算当前P帧应分配码率TP:
其中参数WP和WB为P帧和B帧的权重因子;式中码率TP包括开销比特TP,syntax、运动矢量编码比特TP,vectors和DCT系数编码的码率TP,DCT;
则实际用于P帧宏块DCT系数编码的码率TP,DCT为:
TP,DCT=TP-TP,syntax-TP,vectors (9)
当TP,DCT≤0时,该P帧量化参数QP为:
其中,QI表示当前GOP的I帧量化参数,QP,prev表示当前帧前一个P帧的量化参数,APSNR表示当前P帧之前两帧P帧(或其一为I帧)的差值,参数TH为阈值,取值范围为0.5≤TH≤1.5,实验表明,此措施有利于遏制GOP内最后几个P帧由于缺乏码率资源而编码质量呈直线下降的趋势。
当TP,DCT>0时,该P帧的量化参数QP由下式确定:
其中,参数X1和X2为模型参数,可根据已编码P帧量化参数和实际编码码率自适应更新;参数M为图像复杂度MAD值,可采取常规线性预测的方法计算,以降低视频编码复杂度;
(24)若当前帧为B帧,其量化参数计算方法如下:
设GOP内两个P帧(或其一为I帧)之间连续B帧数量为L,当前B帧前后的P帧量化参数为QP1和QP2;
当L=1时,当前B帧量化参数QB1为:
当L>1时,当前B帧为连续B帧中的第i个B帧,其量化参数QB1为:
其中参数α表示QB1和QP1之间的差值,由下式确定:
3)根据步骤2)所确定的量化参数对各帧进行编码(采用常规的DCT变换、运动搜索和熵编码的编码方法);
4)Frame层的参数更新
(41)若当前帧为I帧,编码完当前帧后,模型参数a和b按下式更新:
其中,RI和RI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧的实际编码码率,QI和QI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧量化参数;
(42)若当前帧为P帧,编码完当前帧后,模型参数X1和X2按下式更新:
其中,n表示选定的之前已编码的P帧图像数量,RP,i和Qi分别表示选定的n个P帧的第i个P帧的实际编码码率和量化参数;
(43)在当前GOP中,当编码完当前帧I帧、P帧或B帧之后,以RI,P,B表示其实际编码码率,则当前GOP剩余可用码率或者超支码率R为:
R=R-RI,P,B (17)
(44)若当前帧为当前GOP最后一帧,则转入步骤5),否则转入步骤2)继续下一帧图像编码。
5)GOP层的参数更新:
(51)当前GOP编码完毕之后,将参数Rprev更新如下:
Rprev=Rprev+R (18)
参数R表示当前GOP编码剩余或者超支码率;
(52)若当前GOP为视频序列最后一个GOP,则结束编码;否则转入步骤1)继续下一个GOP的编码。
本发明的原理及技术效果
本发明相比已有的视频码率控制方法,主要有以下优点:
1、在视频编码过程中,若前面的GOP编码占用过多的码率资源将导致当前GOP由于缺乏码率资源而编码质量下降过快,并由此造成图像编码质量的振荡。本方法为了避免出现此情况,在GOP层码率控制方法中,考虑将超支的比特分配给后面多个GOP,而不是只分配给当前GOP,这将大大减缓了超支比特对于后续GOP的编码影响,有利于视频编码质量的稳定。
2、在Frame层码率控制方法中,根据I帧图像的复杂度和预分配码率资源,对其量化参数进行合理设置,使得码率资源的利用更加合理有效;在确定GOP中P帧量化参数时,引入了编码质量反馈机制,即当之前P帧由于缺乏码率编码质量下降过快时,对当前P帧量化参数进行控制,有效遏制了由于GOP码率资源缺乏引起的P帧编码质量严重下降的趋势,有利于视频编码质量的稳定。
本发明提出的视频编码码率控制方法码率控制误差低于3%,可以有效地将编码码率控制在给定码率上;同时该码率控制方法对码率资源分配更加合理,从而从整体上提高了重建视频图像的PSNR值,并且视频序列各帧编码质量更加平滑,有效减少了重建视频图像间的闪烁效应,提高了图像的主观编码质量。
附图说明
图1为编码码率控制实施方法流程图
具体实施方式
本发明提出的一种视频编码码率控制方法实施例,具体包括以下步骤:
1):GOP层码率预分配
(11)本实施例的编码码率B为80kbps,帧速率F为30帧每秒,GOP长度Ngop为15,参数m取值为3;Rprev表示前一个GOP编码结束后剩余码率或超支码率,若当前GOP为视频序列第一个GOP,则Rprev初始值为零。
(12)若当前GOP为视频序列最后一个GOP时,则该GOP预分配码率R直接由下式确定:
(13)否则,若
则该GOP预分配码率R(当前GOP剩余帧可用码率)按下式确定:
即:上一个GOP编码剩余码率或超支码率Rprev全部分配给当前GOP,参数Rprev更新为零;
(14)若
则该GOP预分配码率R(当前GOP剩余帧可用码率)按下式确定:
即:上一个GOP编码剩余码率或超支码率Rprev只有部分分配给当前GOP,剩余部分将分配给后续GOP,此部分码率仍由参数Rprev表示,并更新Rprev如下式:
2)Frame层码率预分配及量化参数确定
(21)本实施例设权重因子KP和KB为1.1和1.5,若当前帧为GOP中的I帧,首先计算当前I帧的预分配码率TI:
其中,NP和NB为当前GOP未编码的P帧和B帧数量;则根据率失真模型r=M(a+blog2Q),此I帧量化参数Q1为:
其中,参数a和b为模型参数,可根据已编码I帧量化参数和实际编码码率自适应更新;参数M为图像复杂度MAD值,对于序列第一个I帧,其图像复杂度M值可以直接计算,而对于序列中其它的I帧图像复杂度M值计算,可采取常规线性预测的方法,以降低编码复杂度;
(22)若当前帧为P帧,并且为第一个GOP的第一个P帧,其量化参数QP,0为:
其中,QI,0表示第一个GOP的I帧量化参数;
(23)若当前帧为除第一个GOP的第一个P帧之外的其它P帧,首先计算当前P帧应分配码率TP:
其中参数WP和WB为P帧和B帧的权重因子,可取值为5.0和1.0;式中码率TP包括开销比特TP,syntax、运动矢量编码比特TP,vectors和DCT系数编码的码率TP,DCT;
则实际用于P帧宏块DCT系数编码的码率TP,DCT为:
TP,DCT=TP-TP,syntax-TP,vectors
当TP,DCT≤0时,该P帧量化参数QP为:
其中,QI表示当前GOP的I帧量化参数,QP,prev表示当前帧前一个P帧的量化参数,ΔPSNR表示当前P帧之前两帧P帧(或其一为I帧)的差值,阈值TH取1。
当TP,DCT>0时,该P帧的量化参数QP由下式确定:
其中,参数X1和X2为模型参数,可根据已编码P帧量化参数和实际编码码率自适应更新;参数M为图像复杂度MAD值,可采取常规线性预测的方法计算,以降低视频编码复杂度;
(24)若当前帧为B帧,其量化参数计算方法如下:
设GOP内两个P帧(或其一为I帧)之间连续B帧数量为L,当前B帧前后的P帧量化参数为QP1和QP2;
当L=1时,当前B帧量化参数QB1为:
当L>1时,当前B帧为连续B帧中的第i个B帧,其量化参数QBi为:
其中参数α表示QB1和QP1之间的差值,由下式确定:
3)根据步骤2)所确定的量化参数对各帧进行编码(采用常规的DCT变换、运动搜索和熵编码的编码方法);
4)Frame层的参数更新
(41)若当前帧为I帧,编码完当前帧后,模型参数a和b按下式更新:
其中,RI和RI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧的实际编码码率,QI和QI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧量化参数;
(42)若当前帧为P帧,编码完当前帧后,模型参数X1和X2按下式更新:
其中,n表示选定的之前已编码的P帧图像数量,RP,i和Qi分别表示选定的n个P帧的第i个P帧的实际编码码率和量化参数;
(43)在当前GOP中,当编码完当前帧I帧、P帧或B帧之后,以RI,P,B表示其实际编码码率,则当前GOP剩余可用码率或者超支码率R为:
R=R-RI,P,B
(44)若当前帧为当前GOP最后一帧,则转入步骤5),否则转入步骤2)继续下一帧图像编码。
5)GOP层的参数更新:
(51)当前GOP编码完毕之后,将参数Rprev更新如下:
Rprev=Rprev+R
参数R表示当前GOP编码剩余或者超支码率;
(52)若当前GOP为视频序列最后一个GOP,则结束编码;否则转入步骤1)继续下一个GOP的编码。
Claims (4)
1、一种视频编码码率控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)GOP层码率预分配
(11)以B表示给定的编码码率,F表示帧速率,Ngop表示GOP长度,Rprev表示前一个GOP编码结束后剩余码率或超支码率,若当前GOP为视频序列第一个GOP,则Rprev初始值为零;
(12)若当前GOP为视频序列最后一个GOP时,则该GOP预分配码率R直接由下式确定:
(13)否则,若
则该GOP预分配码率R按下式确定:
并将参数Rprev更新为零;
(14)若
则该GOP预分配码率R按下式确定:
并更新Rprev如下式:
其中,参数m为经验值;
2)Frame层码率预分配及量化参数确定
(21)若当前帧为GOP中的I帧,首先计算当前I帧的预分配码率TI:
其中,KP和KB为权重因子,NP和NB为当前GOP未编码的P帧和B帧数量;则根据率失真模型r=M(a+blog2Q),此I帧量化参数QI为:
其中,参数a和b为模型参数,参数M为图像复杂度MAD值;
(22)若当前帧为P帧,并且为第一个GOP的第一个P帧,其量化参数QP,0为:
其中,QI,0表示第一个GOP的I帧量化参数;
(23)若当前帧为除第一个GOP的第一个P帧之外的其它P帧,首先计算当前P帧应分配码率TP:
其中参数WP和WB为P帧和B帧的权重因子;式中码率TP包括开销比特TP,syntax、运动矢量编码比特TP,vectors和DCT系数编码的码率TP,DCT;
则实际用于P帧宏块DCT系数编码的码率TP,DCT为:
TP,DCT=TP-TP,syntax-TP,vectors
当TP,DCT≤0时,该P帧量化参数QP为:
其中,Q1表示当前GOP的I帧量化参数,QP,prev表示当前帧前一个P帧的量化参数,ΔPSNR表示当前P帧之前两帧P帧(或其一为I帧)的差值,参数TH为阈值;
当TP,DCT>0时,该P帧的量化参数QP由下式确定:
其中,参数X1和X2为模型参数,根据已编码P帧量化参数和实际编码码率自适应更新;参数M为图像复杂度MAD值,采取常规线性预测的方法计算得到;
(24)若当前帧为B帧,其量化参数计算方法如下:
设GOP内两个P帧或一个P帧和一个I帧之间连续B帧数量为L,当前B帧前后帧量化参数为QP1和QP2;
当L=1时,当前B帧量化参数QB1为:
当L>1时,当前B帧为连续B帧中的第i个B帧,其量化参数QBi为:
其中参数α表示QB1和QP1之间的差值,由下式确定:
3)根据步骤2)所确定的量化参数对各帧采用常规的DCT变换、运动搜索和熵编码的编码方法进行编码;
4)Frame层的参数更新
(41)若当前帧为I帧,编码完当前帧后,模型参数a和b按下式更新:
其中,RI和RI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧的实际编码码率,QI和QI,prev分别为当前GOP和上一个GOP的I帧量化参数;
(42)若当前帧为P帧,编码完当前帧后,模型参数X1和X2按下式更新:
其中,n表示选定的之前已编码的P帧图像数量,RP,i和QI分别表示选定的n个P帧的第i个P帧的实际编码码率和量化参数;
(43)在当前GOP中,当编码完当前帧I帧、P帧或B帧之后,以RI,P,B表示其实际编码码率,则当前GOP剩余可用码率或者超支码率R为:
R=R-RI,P,B
(44)若当前帧为当前GOP最后一帧,则转入步骤5),否则转入步骤2)继续下一帧图像编码。
5)GOP层的参数更新:
(51)当前GOP编码完毕之后,将参数Rprev更新如下:
Rprev=Rprev+R
参数R表示当前GOP编码剩余或者超支码率;
(52)若当前GOP为视频序列最后一个GOP,则结束编码;否则转入步骤1)继续下一个GOP的编码。
2、如权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤(14)中参数m的取值范围为1<m≤10。
3、如权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤(21)中的模型参数a和b根据已编码I帧量化参数和实际编码码率自适应更新。
4、如权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤(23)参数TH取值范围为0.5≤TH≤1.5。
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