專利名稱：一種低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碼率控制機制，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于原始視頻統(tǒng)計特征的低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法。
背景技術(shù)：
碼率控制技術(shù)是視頻編碼和通信領(lǐng)域一個熱點問題，在視頻通信中起著十分重要的作用。碼率控制技術(shù)一般可以分為三種一是利用碼率一量化參數(shù)的解析模型，二是利用對編碼緩沖區(qū)的控制來調(diào)節(jié)碼率，三是綜合利用上述兩類方法。第一類方法的優(yōu)點是碼率調(diào)節(jié)可以用解析的方法得到優(yōu)化的解，但由于視頻內(nèi)容本身的隨機性，單一的解析模型并不能準(zhǔn)確刻畫視頻本身的特性，所以，需要有較多的控制參數(shù)才能得到比較滿意的效果，復(fù)雜度很高。第二類方法操作簡單，但控制精度不夠。第三類方法綜合了解析模型和緩沖區(qū)控制，是目前碼率控制技術(shù)中最流行的一類。
近年來，隨著視頻編碼技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了新的編碼標(biāo)準(zhǔn)(H.264，VC1.0，AVS)，相應(yīng)地也有一系列碼率控制算法提出。但這些碼率控制算法通常都是上面所述的第三類算法，即基于解析模型和緩沖區(qū)控制的模型。這樣的模型雖然有效結(jié)合了解析模型和緩沖區(qū)控制模型，從碼率控制精度的來說，能夠滿足要求，但由于視頻序列本身很難通過解析模型精確預(yù)測(復(fù)雜度高)，所以，現(xiàn)有的方法并不能準(zhǔn)確按照視頻序列本身固有的率-失真(R-D)屬性來控制碼率，而是把視頻序列看作一個平穩(wěn)的隨機過程來控制碼率的。但視頻序列本身是一個非平穩(wěn)的隨機過程，這樣會使得現(xiàn)有的碼率控制方法的R-D性能不高。
如果要克服現(xiàn)有方法的不足，必須能夠及時準(zhǔn)確得到視頻序列的變化，并根據(jù)這種變化來相應(yīng)調(diào)整碼率。而視頻序列的變化可以通過視頻序列本身的一些統(tǒng)計量來得到。這些量一般包括有圖像方差，相鄰幀差分直方圖，剩余圖像方差以及剩余圖像直方圖等。其中相鄰幀差分直方圖(以下簡稱差分直方圖)能夠很好反映視頻幀內(nèi)相對于參考幀運動程度的強弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種率-失真性能高的低復(fù)雜度碼率控制算法。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預(yù)分配過程和量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程；其特征在于，所述比特率預(yù)分配過程是利用視頻序列特征進行碼率預(yù)分配；所述量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程是根據(jù)視頻序列特征來預(yù)測編碼復(fù)雜度，進而進行量化參數(shù)估計；所述視頻序列特征是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。
上述技術(shù)方案中，所述碼率預(yù)分配包括如下步驟步驟1)設(shè)定目標(biāo)碼率(視頻編碼中額定的標(biāo)稱碼率)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率(視頻編碼器緩沖區(qū)的額定占用率)及圖像組大??；根據(jù)第一個幀間幀各個編碼單元的差分直方圖，初始化求取當(dāng)前幀的差分直方圖值，并將直方圖平均值初始化為該值；在同一圖像組內(nèi)，后續(xù)圖像差分直方圖的平均值按照累加平均的方式得到；步驟2)對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼復(fù)雜度；步驟3)計算相鄰幀的差分并統(tǒng)計其直方圖，計算差分直方圖序列的均值；然后根據(jù)當(dāng)前幀直方圖和均值之間的差異，結(jié)合目標(biāo)碼率和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率，按照均值-比例模型來分配幀級碼率；步驟4)在幀一級碼率分配的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)各個碼率控制基本單元的差分直方圖，采用均值-比例模型來分配基本單元級的碼率。
上述技術(shù)方案中，所述量化參數(shù)估計包括如下步驟步驟5)按照一幀內(nèi)相鄰編碼單元直方圖分布，預(yù)測當(dāng)前編碼單元的編碼復(fù)雜度；步驟6)得到當(dāng)前編碼單元的編碼復(fù)雜度之后，根據(jù)預(yù)分配的碼率，計算出當(dāng)前編碼單元的量化參數(shù)；利用該量化參數(shù)對當(dāng)前圖像進行編碼，并且用編碼后得到的碼率去修正下一幀的碼率分配。
上述技術(shù)方案中，所述碼率控制基本單元為宏塊行。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、可根據(jù)視頻內(nèi)容的變化及時調(diào)節(jié)碼率分配；2、量化參數(shù)計算簡單有效，具有內(nèi)容自適應(yīng)性；3、碼率分配和調(diào)節(jié)貼近視頻內(nèi)容變化，具有好的率-失真(R-D)性能；4、采用累加更新統(tǒng)計量的方式，避免了延遲。


圖1為碼率分配過程示意圖；圖2為量化參數(shù)估計部分的流程圖；圖3為本發(fā)明的碼率控制方法整體過程的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
碼率分配過程主要涉及差分直方圖計算，幀級碼率分配和編碼單元級碼率分配。如圖1所示，圖中三個部分分別指直方圖計算，幀分配和單元分配。
量化參數(shù)估計如圖2所示。在碼率控制的方法中，為了提高控制精度，需要減少控制的粒度，所以把每幀劃分成若干個基本編碼單元，碼率控制過程在基本單元的基礎(chǔ)上進行。對每一個基本單元，通過其差分直方圖來預(yù)測編碼復(fù)雜度，之后根據(jù)預(yù)分配的碼率就可以得到該編碼單元應(yīng)當(dāng)采取的量化參數(shù)。
碼率控制的整體流程如圖3所示。碼率控制只針對一個圖像組(兩個I幀之間)。對一個圖像組而言，控制過程首先從初始化開始，根據(jù)目標(biāo)比特率來給整個圖像組分配一定數(shù)量的比特。圖像組中一幀圖像通過碼率預(yù)分配得到目標(biāo)碼率，通過量化參數(shù)估計得到量化參數(shù)，之后編碼輸出比特流。根據(jù)輸出的比特和目標(biāo)碼率之間的差異，修正圖像組整體比特率分配，進而修正下一幀的碼率預(yù)分配。
整體的碼率控制過程主要分為以下幾個步驟1、根據(jù)目標(biāo)碼率要求，初始化當(dāng)前圖像組的總體比特數(shù)R＝bit_rate*L/F。這里bit_rate表示目標(biāo)碼率要求，L為圖像組的大小(幀)，F(xiàn)為幀率。初始化目標(biāo)緩沖區(qū)大小，初始化差分直方圖均值hoda=hod(0)=Σi=0K=1hod(0,i),hod(0,i)=Σ|x|≥ahistogram(0,i,x)Np(0,i).]]>這里hod代表histogram of difference frame(差分幀直方圖)，hod(m)代表當(dāng)前圖像組第m個幀間幀的幀差分直方圖，對于初始幀間幀而言m＝0，它同時也是當(dāng)前的直方圖平均值hoda。這里假設(shè)每幀K個基本單元，hod(m，i)代表第m幀第i個基本單元差分直方圖。Histogram(m，i，x)代表第m幀第i編碼單元中差分值為x的直方圖統(tǒng)計值。α是一個閾值，取值在(0，20)之間，它反映了直方圖對于圖像差的靈敏度，α越小，靈敏度越高。Np(m，i)是當(dāng)前編碼單元的像素個數(shù)。
2、對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼復(fù)雜度Xb(m,0)=1KmΣk=0m-1Σi=0K-1Xb(k,i),]]>m＞0；Xb(m，0)＝C，m＝0。這里Xb(k，i)代表第k幀間幀第i編碼單元的編碼復(fù)雜度，Xb(k，i)＝r(k，i)*Q(k，i)，這里r(k，i)代表對應(yīng)編碼單元編碼所用比特，Q(k，i)代表對應(yīng)編碼單元所采用的量化參數(shù)。
3、計算當(dāng)前幀的差分直方圖并根據(jù)累加平均的方式預(yù)分配碼率r(m)=(1+hod(m)-hodahoda)R-RuL-m-1,hoda=1m+1Σi=0mhod(i),]]>這里Ru表示到前m+1幀編碼已經(jīng)產(chǎn)生的碼率。進一步結(jié)合目標(biāo)緩沖區(qū)占用率，對當(dāng)前幀的最終碼率預(yù)分配為r(m)＝λr(m)+(1-λ)(BL(m)-Tbl(m))。這里λ＝0.5為權(quán)重系數(shù)，BL(m)代表當(dāng)前編碼緩沖區(qū)的占用率，Tbl(m)是根據(jù)目標(biāo)緩沖區(qū)占用模型得到的目標(biāo)緩沖區(qū)占用率。
4、根據(jù)當(dāng)前編碼單元的差分直方圖給當(dāng)前編碼單元分配碼率r(m,i)=(1+hod(m,i)-hodahoda)r(m)-ruK-i,]]>這里ru是當(dāng)前幀已經(jīng)編碼的基本單元所產(chǎn)生的實際碼率。
5、預(yù)測當(dāng)前編碼單元編碼復(fù)雜度。如果是當(dāng)前幀第一個編碼單元，則直接用步驟2初始化編碼復(fù)雜度。否則，由于差分直方圖本身反映了圖像內(nèi)部的運動程度，也間接地代表了圖像本身編碼復(fù)雜度(運動越劇烈，編碼復(fù)雜度越大)。所以有Xb(m,i)Xb(m,i+1)=hod(m,i)hod(m,i+1)]]>這樣的假設(shè)。此外，對于視頻圖像而言，相鄰幀之間的特征呈現(xiàn)時間上的連貫性(即相鄰幀的特征有很大的相似性)，為此，可以得到如下關(guān)系-ω≤hod(m,i)hod(m,i+1)-hod(m+1,i)hod(m+1,i+1)≤ω]]>基于上述這兩個關(guān)系，可以進一步給出如下的關(guān)系如果|hod(m,i)hod(m,i-1)-hod(m-1,i)hod(m-1,i-1)|≤ω]]>(條件1)成立，則Xb(m,i)=Xb(m,i-1)Xb(m-1,i)Xb(m-1,i-1)]]>(復(fù)雜度估計方法1)這里ω是一個閾值常量，取值在
之間。
如果|hod(m,i)hod(m,i-1)-hod(m-1,i)hod(m-1,i-1)|≤ω]]>不成立，則采用如下預(yù)測方法(復(fù)雜度估計方法2)如果|hod(m，i)-hod(m，i-1)|-|hod(m，i)-hod(m-1，i)|＞0.1hoda那么Xb(m，i)＝(2*Xb(m-1，i)+Xb(m，i-1))/3否則Xb(m，i)＝(Xb(m-1，i)+2*Xb(m，i-1))/36、量化參數(shù)計算和調(diào)節(jié)。得到了當(dāng)前編碼單元的編碼復(fù)雜度預(yù)測，通過編碼復(fù)雜度的定義得到預(yù)測的量化參數(shù)Q(m,i)=Xb(m,i)r(m,i).]]>由于當(dāng)前編碼單元分配的碼率r(m，i)有可能小于0，但量化參數(shù)必須大于0且為了保證視頻畫面質(zhì)量的連貫性，要求相鄰編碼單元的量化參數(shù)不能相差太大，所以，得到的量化參數(shù)還要修正如下Q(m，i)＝max(2，min(Qa+3，max(Qa-3，Qa))，m＝0Q(m，i)＝max(2，min(Q(m，i-1)+3，max(Q(m，i-1)-3，Q(m，i)))，m＞0，這里min(.)和max(.)分別表示在兩個數(shù)中取較小和較大值，Qa代表已經(jīng)編碼的基本單元量化參數(shù)的平均值。
權(quán)利要求
1.一種低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預(yù)分配過程和量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程；其特征在于，所述比特率預(yù)分配過程是利用視頻序列特征進行碼率預(yù)分配；所述量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程是根據(jù)視頻序列特征來預(yù)測編碼復(fù)雜度，進而進行量化參數(shù)估計；所述視頻序列特征是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。
2.按權(quán)利要求1所述的低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，其特征在于，所述碼率預(yù)分配包括如下步驟步驟1)設(shè)定目標(biāo)碼率和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率及圖像組大??；根據(jù)第一個幀間幀各個編碼單元的差分直方圖，初始化求取當(dāng)前幀的差分直方圖值，并將直方圖平均值初始化為該值；在同一圖像組內(nèi)，后續(xù)圖像差分直方圖的平均值按照累加平均的方式得到；步驟2)對每一幀，初始化第一個編碼單元的編碼復(fù)雜度；步驟3)計算相鄰幀的差分并統(tǒng)計其直方圖，計算差分直方圖序列的均值；然后根據(jù)當(dāng)前幀直方圖和均值之間的差異，結(jié)合目標(biāo)碼率和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率，按照均值—比例模型來分配幀級碼率；步驟4)在幀一級碼率分配的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)各個碼率控制基本單元的差分直方圖，采用均值一比例模型來分配基本單元級的碼率。
3.按權(quán)利要求1所述的低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，其特征在于，所述量化參數(shù)估計包括如下步驟步驟5)按照一幀內(nèi)相鄰編碼單元直方圖分布，預(yù)測當(dāng)前編碼單元的編碼復(fù)雜度；步驟6)得到當(dāng)前編碼單元的編碼復(fù)雜度之后，根據(jù)預(yù)分配的碼率，計算出當(dāng)前編碼單元的量化參數(shù)；利用該量化參數(shù)對當(dāng)前圖像進行編碼，并且用編碼后得到的碼率去修正下一幀的碼率分配。
4.按權(quán)利要求2所述的低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，其特征在于，所述碼率控制基本單元為宏塊行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低復(fù)雜度的視頻碼率控制方法，包括比特率預(yù)分配過程和量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程；其特征在于，所述比特率預(yù)分配過程是利用視頻序列特征進行碼率預(yù)分配；所述量化參數(shù)調(diào)節(jié)過程是根據(jù)視頻序列特征來預(yù)測編碼復(fù)雜度，進而進行量化參數(shù)估計；所述視頻序列特征是指代表視頻序列局部運動的差分直方圖。本發(fā)明的優(yōu)點在于可根據(jù)視頻內(nèi)容的變化及時調(diào)節(jié)碼率分配；量化參數(shù)計算簡單有效，具有內(nèi)容自適應(yīng)性；碼率分配和調(diào)節(jié)貼近視頻內(nèi)容變化，具有好的率－失真性能；采用累加更新統(tǒng)計量的方式，避免了延遲。
文檔編號H04N7/50GK1992898SQ20051013549
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月31日
發(fā)明者周樹民, 李錦濤, 張勇東 申請人:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所