專利名稱：視頻編碼比特率的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字通信的視頻信息傳輸與處理領(lǐng)域，具體涉及一種低碼率下視頻編碼比特率的控制方法。
背景技術(shù)：
1948年，Shannon提出了信息的定義，認(rèn)為信息量的大小與信源發(fā)生的概率有關(guān)，在此基礎(chǔ)上提出了信息熵的定義，指出了數(shù)據(jù)壓縮的理論上限，從而奠定了信息論的基礎(chǔ)。后來，經(jīng)過Jelinek、Gallager和Berger等人的發(fā)展，建立了限定失真信源編碼理論。
限定失真信源編碼理論的主要觀點(diǎn)是在允許一定失真的條件下，編碼比特率可以減小，同時(shí)所需要的信道容量也可以相應(yīng)的減小；允許的失真度越大，則編碼比特率可被壓縮的程度也越大。但根據(jù)信息的定義，在允許的失真度越大時(shí)，信源發(fā)生的概率也越大。這也就是數(shù)字信號(hào)編碼中率失真優(yōu)化的理論依據(jù)。
在視頻編碼理論中，一般采用兩個(gè)函數(shù)即編碼比特率-量化函數(shù)R(q)和編碼失真-量化函數(shù)D(q)來進(jìn)行編碼的率失真優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)編碼時(shí)的碼率控制。
碼率控制的目標(biāo)是調(diào)整輸出碼流的碼率，以便充分而有效的利用信道帶寬，同時(shí)盡可能地保證視頻圖像質(zhì)量的平穩(wěn)。不同應(yīng)用環(huán)境的編碼標(biāo)準(zhǔn)采用不同的碼率控制算法。對于實(shí)用系統(tǒng)來說碼率控制是必須的也是很重要的對于光盤等高碼率通訊產(chǎn)品，必須通過碼率控制來確定其容量；對于多媒體信息服務(wù)(MMS)等低碼率通訊業(yè)務(wù)，則必須通過碼率控制來確定其輸出碼流的碼率。因?yàn)閳D像編碼時(shí)使用不同的量化參數(shù)進(jìn)行量化時(shí)，最后的輸出碼率也不同，量化參數(shù)較大時(shí)，編碼后的輸出碼率相對較小，而量化參數(shù)較小時(shí)，編碼后的輸出碼率相對較大。因此，實(shí)現(xiàn)碼率控制的具體方式就是通過一個(gè)碼率預(yù)測模型，根據(jù)每幀圖像編碼時(shí)的目標(biāo)比特?cái)?shù)，不斷改變和調(diào)整編碼時(shí)使用的量化參數(shù)，從而改變了編碼時(shí)的輸出碼率。
然而，前面提到的編碼比特率-量化函數(shù)R(q)和編碼失真-量化函數(shù)D(q)都具有很強(qiáng)的非線性特征，并且與信源的相關(guān)性很強(qiáng)，因此使用這兩個(gè)函數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度都不夠。如果需要有效控制輸出碼流的碼率，必須要定義新的函數(shù)，建立新的數(shù)學(xué)模型。隨著現(xiàn)代無線通信的蓬勃發(fā)展，在低碼率情況下準(zhǔn)確有效地控制輸出碼率成為了目前迫切需要解決的問題。涉及碼率控制的美國專利No.6,366,704、No.6,072,831、No.6,343,098、No.6,570,922、No.6,356,668、No.6,212,302和No.6,167,162，都是基于中高碼率情況建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在低碼率情況下工作效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種視頻編碼比特率的控制方法，目的在于克服上述現(xiàn)有碼率控制方法的不足之處，在低碼率下準(zhǔn)確而有效地控制輸出碼率。
本發(fā)明的一種視頻編碼比特率的控制方法，包括下述步驟(1)對輸入的二維圖像序列進(jìn)行整數(shù)離散余弦變換，得到相應(yīng)的變換參數(shù)，即幀有效比特位VF；然后，根據(jù)圖像幀排序進(jìn)行操作圖像幀是GOP的第一幀或第二幀，轉(zhuǎn)步驟(2)；否則，轉(zhuǎn)步驟(3)；(2)確定特殊幀的量化參數(shù)，當(dāng)前幀是GOP中第一幀I幀，進(jìn)入步驟(2.1)，當(dāng)前幀是圖像序列第一個(gè)P幀，進(jìn)入步驟(2.2)；(2.1)GOP中第一幀I幀，其量化參數(shù)QP_I1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，然后轉(zhuǎn)步驟(6)；(2.2)GOP中第一個(gè)P幀，即圖像序列的第二幀，其量化參數(shù)為QP_I1+5，然后轉(zhuǎn)步驟(6)；(3)根據(jù)目標(biāo)緩沖區(qū)和虛擬緩沖區(qū)大小，確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)當(dāng)前P幀在圖像序列的第一個(gè)GOP內(nèi)，進(jìn)入(3.1)；否則，進(jìn)入(3.2)；(3.1)計(jì)算當(dāng)前P幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)以及目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，j＞1，然后轉(zhuǎn)(3.3)；(3.2)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，i＞1，j＞1；(3.3)求取第j幀編碼前GOP中剩余可編碼比特?cái)?shù)UnAllocated_Bit(i,j)；(3.4)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)Ti(j)，i≥1，j＞1；(4)計(jì)算碼率預(yù)測模型中的待定系數(shù)a和b；設(shè)立碼率預(yù)測模型如下Frame_actual_bit=(aQP+bQP2)×VF]]>根據(jù)滑動(dòng)窗口中保存的數(shù)據(jù)，計(jì)算待定系數(shù)a和b；(5)求取第i個(gè)GOP第j幀的量化參數(shù)QPi(j)；把當(dāng)前P幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)Ti(j)作為Frame_actual_bit，同時(shí)將求出的待定系數(shù)a和b、幀有效比特位VF代入碼率預(yù)測模型中，求出理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)；將理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)與滑動(dòng)窗口中其他幀量化參數(shù)的平均值作為最終的量化參數(shù)QPi(j)；(6)使用求取出的量化參數(shù)，進(jìn)行量化、熵編碼等后續(xù)的編碼工作；同時(shí)將當(dāng)前圖像幀的編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù)保存于滑動(dòng)窗口中；滑動(dòng)窗口采用先進(jìn)先出的內(nèi)存管理策略，保存與當(dāng)前幀最近的圖像編碼參數(shù)；
(7)重復(fù)步驟(1)到步驟(6)，直到全部圖象編碼結(jié)束。
所述的視頻編碼比特率的控制方法，其特征在于(1)計(jì)算所述量化參數(shù)QP_I1的經(jīng)驗(yàn)公式為QP_I1=400<bpp<l130l1<bpp<l225l2<bpp<l315l3<bpp,bpp=bit_rateframe_rate×Nptxei]]>其中，bit_rate為控制的目標(biāo)碼率，frame_rate為目標(biāo)幀率，Npixel為圖像中像素的個(gè)數(shù)；視頻序列為QCIF格式時(shí)，l1＝0.1，l2＝0.3，l3＝0.6；視頻序列為CIF格式時(shí)，l1＝0.2，l2＝0.6，l3＝1.2；視頻序列分辨率大于CIF格式時(shí)，l1＝0.6，l2＝1.4，l3＝2.4；(2)為了獲得穩(wěn)定的圖像質(zhì)量，求取第i個(gè)GOP第j幀的量化參數(shù)QPi(j)時(shí)，求出理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)后，相鄰幀的量化參數(shù)變化限制在2以內(nèi)QPi(j)＝min{QPi(j-1)+2，max{QPi(j-1)-2，Ideal_QPi(j)}}所述的視頻編碼比特率的控制方法，其進(jìn)一步特征在于，確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)時(shí)，遵從下述步驟(1)計(jì)算第1個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，j＞1，a、計(jì)算第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)的公式為V1(j)＝V1(j-1)+Actual_Bit(1，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1，V1(1)＝0b、第1個(gè)P幀編碼前，設(shè)目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(1)＝0；第2個(gè)P幀編碼前，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(2)初始化為V1(2)；S1(2)＝V1(2)對于第j個(gè)P幀(j＞2)，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為S1(j)=S1(j-1)-S1(2)Np(1)-1,j>2,S1(1)=0,S1(2)=V1(2)]]>Np(1)為第1個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)，然后轉(zhuǎn)入步驟(3)；(2)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，i＞1，j＞1，a、計(jì)算第1幀I幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(1)和第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)采用公式Vi(1)=0i=1;Vi-1(n)i>1.]]>Vi(j)＝Vi(j-1)+Actual_Bit(i，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1其中，n代表GOP的長度；b、第i個(gè)GOP中的I幀編碼后，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率初始化為Si(1)＝Vi(1)對于此GOP中第j幀，編碼前的目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為Si(j)=Si(j-1)-Si(1)Np(i),j>1,Si(1)=Vi(1)]]>其中目標(biāo)碼率為bit_rate，目標(biāo)幀率為frame_rate，第j-1幀編碼時(shí)實(shí)際編碼使用的比特?cái)?shù)為Actual_Bit(i,j-1)，Np(i)代表第i個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)；i＞1，j＞1，然后轉(zhuǎn)入步驟(3)；(3)求取第j幀(j＞1)編碼前，GOP中剩余可編碼比特?cái)?shù)UnAllocated_Bit(i,j)，公式
UnAllocated_Bit(i,j)=n×bit_rate/frame_ratej=1;UnAllocated_Bit(i,j-1)-Actual-Bit(i,j-1)j>1.]]>其中，n代表GOP的長度；(4)計(jì)算第i個(gè)GOP(i≥1)中第j幀(j＞1，P幀)的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)Ti(j)，公式Ti(j)=0.5×(bit_rateframe_rate+UnAllocate_Bit(i,j)Np(i)+0.5×(Vi(j)-Si(j)))]]>所述的視頻編碼比特率的控制方法，其更進(jìn)一步特征在于計(jì)算當(dāng)前幀的碼率預(yù)測模型中待定系數(shù)a和b時(shí)，將已編碼P幀的參數(shù)DataP編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù)保存于一個(gè)滑動(dòng)窗口中，計(jì)算公式為b=wΣi=1wFrame_actual_bit(i)-wΣi=1wFrame_actual_bit(i)×QP(i)VF(i)×Σi=1wQP(i)VF(i)w×Σi=1wVF(i)2QP(i)2-(Σi=1wQP(i)VF(i))2]]>a=Σi=1w[Frame_actual_bit(i)×QP(i)VF(i)-VF(i)QP(i)×b]w]]>其中，滑動(dòng)窗口的實(shí)際尺寸為w，第i個(gè)滑動(dòng)窗口中存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù)分別為VF(i)、QP(i)和Frame_actual_bit(i)，滑動(dòng)窗口最大尺寸為15，最小尺寸為1。
本發(fā)明用于數(shù)字視頻編碼系統(tǒng)中，基于低碼率情況建立起了一個(gè)較為準(zhǔn)確的碼率預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的碼率控制，具有如下主要優(yōu)點(diǎn)其一、輸出碼率波動(dòng)較小，PSNR值比較平穩(wěn)；
其二、實(shí)際輸出碼率的控制精度高；其三、魯棒性好，適用于幾乎所有的測試序列。


圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為計(jì)算待定系數(shù)a和b時(shí)，設(shè)置一個(gè)最小尺寸為1，最大尺寸為15的滑動(dòng)窗口選擇已編碼幀的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)示意圖；圖3為編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和幀有效比特位之間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
為更清楚地表述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對一些術(shù)語加以說明(1)CIF即Common Intermediate Format，是一種通用視頻格式，其尺寸大小為352×288像素。
(2)QCIF即Quarter Common Intermediate Format，也是一種通用視頻格式，其尺寸大小為176×144像素。
(3)有效比特位對于離散余弦變換(DCT)或整數(shù)余弦變換(ICT)的變換系數(shù)Y，如果編碼器的最小量化步長為X，其有效比特位定義為 (4)宏塊有效比特位VB即一個(gè)宏塊的所有亮度塊的有效比特位之和；宏塊為一16×16象素的圖象塊。
(5)幀有效比特位VF即一幀內(nèi)所有宏塊的有效比特位之和。
(6)I幀I幀稱為幀內(nèi)編碼幀。I幀是一個(gè)能夠完全記載這一幀全部圖像數(shù)據(jù)的幀，即可單獨(dú)解碼。
(7)P幀P幀稱為前向預(yù)測幀，是根據(jù)與前一幀圖像的比較，去掉與前幀相似的數(shù)據(jù)而構(gòu)成的幀。
(8)B幀B幀稱為雙向預(yù)測幀，是根據(jù)與前后一幀圖像的比較而得到的幀。
(9)GOP即圖像組(Group of Picture)。圖像壓縮一般是以GOP為一個(gè)單元的。一般情況下一個(gè)圖像組(GOP)由15幀組成，包含I幀和B、P幀等三種編碼類型，圖像幀編碼的順序?yàn)镮 PBB PBB…I PBB…。在實(shí)時(shí)多媒體通信等情況下，一般采用IPPP…IPPP…結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合圖1、圖2說明本發(fā)明的工作流程(采用IPPP…結(jié)構(gòu))。
步驟(1)對輸入的二維圖像序列進(jìn)行(整數(shù))離散余弦變換，得到相應(yīng)的變換系數(shù)。根據(jù)上述定義(3)、(4)、(5)求取變換參數(shù)即幀有效比特位VF；然后，根據(jù)圖像幀的排序進(jìn)行相應(yīng)的操作如果圖像幀是GOP的第一幀或圖像序列的第二幀，則轉(zhuǎn)入步驟(2)；否則，轉(zhuǎn)入步驟(3)。
步驟(2)確定序列中特殊幀的量化參數(shù)，然后轉(zhuǎn)入步驟(6)。
如果當(dāng)前幀是GOP中第一幀(I幀)，則進(jìn)入(2.1)；如果當(dāng)前幀是圖像序列第一個(gè)P幀，則進(jìn)入(2.2)。
(2.1)對于GOP中第一幀(I幀)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式其量化參數(shù)QP_I1為QP_I1=400<bpp≤l130l1<bpp≤l225l2<bpp≤l3l5l3<bpp,bpp=bit_rateframe_rate×Npixel]]>然后轉(zhuǎn)步驟(6)，其中，bit_rate為控制的目標(biāo)碼率；frame_rate為目標(biāo)幀率；Nptxel為圖像中像素的個(gè)數(shù)，當(dāng)視頻序列為QCIF格式時(shí)，l1＝0.1，l2＝0.3，l3＝0.6；當(dāng)視頻序列為CIF格式時(shí)，l1＝0.2，l2＝0.6，l3＝1.2；當(dāng)視頻序列分辨率大于CIF格式時(shí)，l1＝0.6，l2＝1.4，l3＝2.4；
(2.2)對于圖像序列第一個(gè)P幀，即第一個(gè)GOP中的第二幀，其量化參數(shù)為QP_I1+5，然后轉(zhuǎn)步驟(6)；步驟(3)根據(jù)目標(biāo)緩沖區(qū)和虛擬緩沖區(qū)大小，確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)。如果當(dāng)前P幀在圖像序列的第一個(gè)GOP內(nèi)，則進(jìn)入(3.1)；否則，進(jìn)入(3.2)；(3.1)計(jì)算第1個(gè)GOP中第j幀，(j＞1，P幀)的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，a、第1個(gè)GOP的第一幀(I幀)編碼后，設(shè)置虛擬緩沖區(qū)占用率初始值V1(1)＝0；第1個(gè)GOP中每個(gè)P幀編碼前，采用以下公式計(jì)算第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)V1(j)＝V1(j-1)+Actual_Bit(1，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1，V1(1)＝0b、第1個(gè)GOP中的第1個(gè)P幀編碼前，設(shè)目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(1)＝0；第2個(gè)P幀編碼前，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(2)初始化為V1(2)；S1(2)＝V1(2)對于第1個(gè)GOP中第j個(gè)P幀(j＞2)，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為S1(j)=S1(j-1)-S1(2)Np(1)-1,j>2,S1(1)=0,S1(2)=V1(2)]]>上式中，Np(1)代表第1個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)；然后轉(zhuǎn)入步驟(3.3)。
(3.2)計(jì)算第i個(gè)GOP(i＞1)中第j幀(j＞1，P幀)的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，a、每個(gè)P幀編碼前，采用下面公式計(jì)算第i個(gè)GOP(i＞1)中第1幀(I幀)的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(1)和第j幀(j＞1，P幀)的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)。
Vi(1)=0i=1;Vi-1(n)i>1.]]>Vi(j)＝Vi(j-1)+Actual_Bit(i，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1上式中，n代表GOP的長度。
b、第i個(gè)GOP(i＞1)中的I幀編碼后，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率初始化為S1(1)＝V1(1)對于此GOP中第j幀(j＞1)，編碼前的目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為Si(j)=Si(j-1)-S1(1)NP(i),j>1,Si(1)=Vi(1)]]>其中目標(biāo)碼率為bit_rate，目標(biāo)幀率為frame_rate，第j-1幀編碼時(shí)實(shí)際編碼使用的比特?cái)?shù)為Actual_Bit(i,j-1)，Np(i)代表第i個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)；然后轉(zhuǎn)入步驟(3.3)；(3.3)求取第j幀(j＞1)編碼前，GOP中剩余可編碼比特?cái)?shù)UnAllocated Bit(i,j)UnAllocated_Bit(i,j)=n×bit_rate/frame_ratej=1;UnAllocated_Bit(i,j-1)-Actual_Bit(i,j-1)j>1.]]>其中，n代表GOP的長度。
(3.4)計(jì)算第i個(gè)GOP(i≥1)中第j幀(j＞1，P幀)的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)Ti(j)Ti(j)=0.5×(bit_rateframe_rate+UnAllocate_Bit(i,j)Np(i)+0.5×(Vi(j)-Si(j)))]]>步驟(4)計(jì)算碼率預(yù)測模型中的待定系數(shù)a和b。
設(shè)立碼率預(yù)測模型如下Frame_actual_bit=(aQP+bQP2×VF)]]>其中，F(xiàn)rame_actual_bit為每幀編碼的實(shí)際比特?cái)?shù)，VF為變換參數(shù)即幀有效比特位，QP為量化參數(shù)，a、b均為待定系數(shù)。
根據(jù)滑動(dòng)窗口中保存的數(shù)據(jù)，計(jì)算待定系數(shù)a和b。
為了計(jì)算待定系數(shù)a和b，需要將之前已編碼P幀的參數(shù)DataP(編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù))保存于一個(gè)滑動(dòng)窗口中。該滑動(dòng)窗口最大尺寸為15，最小尺寸為1。不失一般性，設(shè)滑動(dòng)窗口的實(shí)際尺寸為w，第i個(gè)滑動(dòng)窗口中存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù)分別為VF(i)、QP(i)和Frame_actual_bit(i)，可以根據(jù)下面公式來計(jì)算這一幀的關(guān)系公式中待定系數(shù)a和b。
b=wΣi=1wFrame_actual_bit(i)-wΣi=1wFrame_actual_bit(i)×QP(i)VF(i)×Σi=1wQP(i)VF(i)w×Σi=1wVF(i)2QP(i)2-(Σi=1wQP(i)VF(i))2]]>a=Σi=1w[Frame_actual_bit(i)×QP(i)VF(i)-VF(i)QP(i)×b]w]]>步驟(5)求取第i個(gè)GOP第j幀(j＞1，P幀)的量化參數(shù)QPi(j)；根據(jù)求出的當(dāng)前P幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)Ti(j)、待定系數(shù)a和b后，把目標(biāo)比特?cái)?shù)Ti(j)作為Frame_actual_bit代入碼率預(yù)測模型中，求出理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)。為了防止相鄰幀的圖像質(zhì)量變化太快，對相鄰P幀的量化參數(shù)變化限制在2以內(nèi)，則量化參數(shù)QPi(j)為QPi(j)＝min{QPi(j-1)+2，max{QPi(j-1)-2，Ideal_QPi(j)}}同時(shí)，為了獲得穩(wěn)定的圖像質(zhì)量，將理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)與滑動(dòng)窗口中其他幀量化參數(shù)進(jìn)行平均，以平均值作為最終的量化參數(shù)QPi(j)。
步驟(6)使用求取出的量化參數(shù)，進(jìn)行量化、熵編碼等后續(xù)的編碼工作。同時(shí)將當(dāng)前圖像幀的編碼參數(shù)DataP(編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù))，保存于滑動(dòng)窗口中。保存編碼參數(shù)的具體步驟如圖2所示對于視頻序列的第二個(gè)和以后的P幀，將對應(yīng)的參數(shù)DataP按照順序保存于滑動(dòng)窗口，記作DataP(i)，i＝0，1，…，14。滑動(dòng)窗口采用先進(jìn)先出的內(nèi)存管理策略，所以保存的是與當(dāng)前幀最近的圖像編碼參數(shù)。
步驟(7)重復(fù)步驟(1)到步驟(6)，直到全部圖象編碼結(jié)束。
因?yàn)閳D像編碼時(shí)使用不同的量化參數(shù)進(jìn)行量化時(shí)，最后的輸出碼率也不同。量化參數(shù)較大時(shí)，編碼后的輸出碼率相對較小，而量化參數(shù)較小時(shí)，編碼后的輸出碼率相對較大。這樣，就調(diào)整了該幀圖像的輸出碼率。
可以看到，上述方法的運(yùn)算量主要集中在第一步計(jì)算幀有效比特位VF的過程中，相對于整個(gè)編碼處理過程，計(jì)算復(fù)雜度較低。
針對QCIF格式的Tempete序列，利用當(dāng)前最新的國際編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，統(tǒng)計(jì)量化參數(shù)分別為25，27，29，31，33和35時(shí)P幀編碼累計(jì)的宏塊有效比特位與對應(yīng)的實(shí)際輸出比特?cái)?shù)之間的關(guān)系，得到如圖3所示曲線，曲線中縱坐標(biāo)為一幀圖像中亮度塊編碼后輸出的實(shí)際比特?cái)?shù)的之和actual-bit，橫坐標(biāo)為各個(gè)宏塊VB的累加值。因此，每條線段最后一個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是一幀的幀有效比特位VF，縱坐標(biāo)為該幀編碼后輸出的實(shí)際比特?cái)?shù)Frame-actual-bit。
本發(fā)明提出的視頻編碼比特率控制方法可以有效地運(yùn)用于不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼系統(tǒng)中。這里以目前應(yīng)用最廣泛的H.264標(biāo)準(zhǔn)的編碼測試平臺(tái)JVT JM76為例，與JVT標(biāo)準(zhǔn)中JVT-F086和JVT-G012碼率控制算法相比較，對七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測試序列“Football”、“Mobile”、“Foreman”、“News”、“Paris”、“Tempete”、“Bus”進(jìn)行編碼。
為了能夠客觀的評價(jià)各種算法的性能，這里定義了三種評價(jià)方式(a)平均碼率誤差，即實(shí)際輸出碼率平均值與目標(biāo)碼率的差，它反映了碼率控制的精度；(b)平均質(zhì)量，即實(shí)際輸出圖像質(zhì)量的平均值；(c)碼率偏移bit_rate_deviation，若第i幀的實(shí)際碼率為actual_bit_ratei，目標(biāo)碼率為target_bit_ratei，按照下面的公式求取N幀圖像的平均碼率偏移值。
bit_rate_deviation=Σi=1N|actual_bit_ratei_target_bit_ratetarget_bit_rate×N|]]>碼率偏移值反映了碼率變化的劇烈程度；在幀率為15f/s時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示表1 三種碼率控制算法的比較


權(quán)利要求
1.一種視頻編碼比特率的控制方法，包括下述步驟(1)對輸入的二維圖像序列進(jìn)行整數(shù)離散余弦變換，得到相應(yīng)的變換參數(shù)，即幀有效比特位VF；然后，根據(jù)圖像幀排序進(jìn)行操作圖像幀是GOP的第一幀或第二幀，轉(zhuǎn)步驟(2)；否則，轉(zhuǎn)步驟(3)；(2)確定特殊幀的量化參數(shù)，當(dāng)前幀是GOP中第一幀I幀，進(jìn)入步驟(2.1)，當(dāng)前幀是圖像序列第一個(gè)P幀，進(jìn)入步驟(2.2)；(2.1)GOP中第一幀I幀，其量化參數(shù)QP_I1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，然后轉(zhuǎn)步驟(6)；(2.2)GOP中第一個(gè)P幀，即第二幀，其量化參數(shù)為QP_I1+5，然后轉(zhuǎn)步驟(6)；(3)根據(jù)目標(biāo)緩沖區(qū)和虛擬緩沖區(qū)大小，確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)當(dāng)前P幀在圖像序列的第一個(gè)GOP內(nèi)，進(jìn)入(3.1)；否則，進(jìn)入(3.2)；(3.1)計(jì)算當(dāng)前P幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)以及目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，j＞1，然后轉(zhuǎn)(3.3)；(3.2)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，i＞1，j＞1；(3.3)求取第j幀編碼前GOP中剩余可編碼比特?cái)?shù)UnAllocated_Bit(i，j)；(3.4)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)Ti(j)，i≥1，j＞1；(4)計(jì)算碼率預(yù)測模型中的待定系數(shù)a和b；設(shè)立碼率預(yù)測模型如下Frame_actual_bit=(aQP+bQP2)×VF]]>根據(jù)滑動(dòng)窗口中保存的數(shù)據(jù)，計(jì)算待定系數(shù)a和b；(5)求取第i個(gè)GOP第j幀的量化參數(shù)QPi(j)；把當(dāng)前P幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)Ti(j)作為Frame_actual_bit，同時(shí)將求出的待定系數(shù)a和b、幀有效比特位VF代入碼率預(yù)測模型中，求出理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)；將理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)與滑動(dòng)窗口中其他幀量化參數(shù)的平均值作為最終的量化參數(shù)QPi(j)；(6)使用求取的量化參數(shù)，進(jìn)行量化、熵編碼等后續(xù)的編碼工作；同時(shí)將當(dāng)前圖像幀的編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù)保存于滑動(dòng)窗口中；滑動(dòng)窗口采用先進(jìn)先出的內(nèi)存管理策略，保存與當(dāng)前幀最近的圖像編碼參數(shù)；(7)重復(fù)步驟(1)到步驟(6)，直到全部圖象編碼結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的視頻編碼比特率的控制方法，其特征在于(1)計(jì)算所述量化參數(shù)QP_I1的經(jīng)驗(yàn)公式為QP_I1=400<bpp≤l130l1<bpp≤l225l2<bpp≤l3153l<bppbpp=bit_rateframe_rate×Npixel]]>其中，bit_rate為控制的目標(biāo)碼率，frame_rate為目標(biāo)幀率，Npixel為圖像中像素的個(gè)數(shù)；視頻序列為QCIF格式時(shí)，l1＝0.1，l2＝0.3，l3＝0.6；視頻序列為CIF格式時(shí)，l1＝0.2，l2＝0.6，l3＝1.2；(2)為了獲得穩(wěn)定的圖像質(zhì)量，求取第i個(gè)GOP第j幀的量化參數(shù)QPi(j)時(shí)，求出理想量化參數(shù)Ideal_QP(j)后，相鄰幀的量化參數(shù)變化限制在2以內(nèi)QPi(j)＝min{QPi(j-1)+2，max{QPi(j-1)-2，Ideal_QPi(j)}}
3.如權(quán)利要求1或2所述的視頻編碼比特率的控制方法，其特征在于確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)時(shí)，遵從下述步驟(1)計(jì)算第1個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，j＞1，a、計(jì)算第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率V1(j)的公式為V1(j)＝V1(j-1)+Actual_Bit(1，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1，V1(1)＝0b、第1個(gè)P幀編碼前，設(shè)目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(1)＝0；第2個(gè)P幀編碼前，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(2)初始化為V1(2)；S1(2)＝V1(2)對于第j個(gè)P幀(j＞2)，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為S1(j)=S1(j-1)-S1(2)Np(1)-1,j>2,S1(1)=0,S1(2)=V1(2)]]>NP(1)為第1個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)，然后轉(zhuǎn)入步驟(3)；(2)計(jì)算第i個(gè)GOP中第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)和目標(biāo)緩沖區(qū)占用率S1(j)，i＞1，j＞1，a、計(jì)算第1幀I幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(1)和第j幀的虛擬緩沖區(qū)占用率Vi(j)采用公式Vi(1)=0i=1;Vi-1(n)i>1.]]>Vi(j)＝Vi(j-1)+Actual_Bit(i，j-1)-Bit_Rate/Frame_Rate，j＞1其中，n代表GOP的長度；b、第i個(gè)GOP中的I幀編碼后，目標(biāo)緩沖區(qū)占用率初始化為Si(1)＝Vi(1)對于此GOP中第j幀，編碼前的目標(biāo)緩沖區(qū)占用率定義為Si(j)=Si(j-1)-Si(1)Np(i),j>1,Si(1)=Vi(1)]]>其中目標(biāo)碼率為bit_rate，目標(biāo)幀率為frame_rate，第j-1幀編碼時(shí)實(shí)際編碼使用的比特?cái)?shù)為Actual_Bit(i，j-1)，NP(i)代表第i個(gè)GOP中P幀的個(gè)數(shù)；i＞1，j＞1，然后轉(zhuǎn)入步驟(3)；(3)求取第j幀(j＞1)編碼前，GOP中剩余可編碼比特?cái)?shù)UnAllocated_Bit(i，j)，公式UnAllocated_Bit(i,j)=n×bit_rate/frame_ratej=1;UnAllocated_Bit(i,j-1)-Actual_Bit(i,j-1)j>1.]]>其中，n代表GOP的長度；(4)計(jì)算第i個(gè)GOP(i≥1)中第j幀(j＞1，P幀)的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)Ti(j)，公式Ti(j)=0.5×(bit_rateframe_rate+UnAllocate_Bit(i,j)Np(i)+0.5×(Vi(j)-Si(j)))]]>
4.如權(quán)利要求3所述的視頻編碼比特率的控制方法，其特征在于計(jì)算當(dāng)前幀的碼率預(yù)測模型中待定系數(shù)a和b時(shí)，將已編碼P幀的參數(shù)DataP編碼比特?cái)?shù)、量化參數(shù)和變換參數(shù)保存于一個(gè)滑動(dòng)窗口中，計(jì)算公式為b=wΣi=1wFrame_actual_bit(i)-wΣi=1wFrame_actual_bit(i)×QP(i)VF(I)×Σi=1wQP(i)VF(i)w×Σi=1wVF(i)2QP(i)2-(Σi=1wQP(i)VF(i))2]]>a=Σi=1w[Frame_actual_bit(i)×QP(i)VF(i)-VF(i)QP(i)×b]w]]>其中，滑動(dòng)窗口的實(shí)際尺寸為w，第i個(gè)滑動(dòng)窗口中存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù)分別為VF(i)、QP(i)和Frame_actual_bit(i)，滑動(dòng)窗口最大尺寸為15，最小尺寸為1。
全文摘要
視頻編碼比特率的控制方法，屬于視頻信息傳輸與處理領(lǐng)域，克服現(xiàn)有碼率控制方法的不足，在低碼率下準(zhǔn)確有效地控制輸出碼率。本發(fā)明步驟為(1)進(jìn)行整數(shù)離散余弦變換，求取輸入圖像變換參數(shù)；(2)定義GOP第一幀和整個(gè)序列第二幀的量化參數(shù)；(3)確定當(dāng)前P幀圖像的目標(biāo)編碼比特?cái)?shù)；(4)計(jì)算碼率預(yù)測模型中的待定系數(shù)a和b；(5)求取當(dāng)前P幀的量化參數(shù)；(6)使用量化參數(shù)進(jìn)行后續(xù)編碼工作，同時(shí)將當(dāng)前圖像幀的有關(guān)參數(shù)保存于滑動(dòng)窗口中；(7)重復(fù)步驟(1)～(6)，直到全部圖象編碼結(jié)束。本發(fā)明基于低碼率情況實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的碼率控制，輸出碼率波動(dòng)小、PSNR值平穩(wěn)，接近于目標(biāo)碼率，魯棒性好，適用于所有的測試序列。
文檔編號(hào)H04N7/24GK1738423SQ20051001935
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者朱光喜, 李宵, 戴聲奎, 劉文予, 喻莉 申請人:華中科技大學(xué)