Hevc中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法，該方法包括以下步驟：初始化編碼參數(shù)，并建立滑動窗口；為滑動窗口分配相應的比特，并且在滑動窗口內(nèi)對于視頻序列進行運動估計，得到視頻序列中的每一幀圖像相對于前一幀圖像的復雜度變化；根據(jù)得到的每一幀的復雜度在滑動窗口內(nèi)對于當前幀進行比特分配；判斷當前幀是否為場景切換幀，如是，則對當前幀及其后續(xù)幀進行比特處理；判斷當前幀是否為最后一幀，如否，則更新滑動窗口內(nèi)的比特數(shù)目和編碼參數(shù)，返回比特分配步驟，對于下一幀繼續(xù)進行編碼，如是，則結束當前視頻的編碼過程。本發(fā)明能夠?qū)τ谄聊粌?nèi)容序列進行有針對性的碼率控制，從而有效地降低了碼率控制誤差，提升了編碼效率。
【專利說明】HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及多媒體通信【技術領域】，具體地，涉及一種HEVC (High Efficiency Video Coding)屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法。

【背景技術】
[0002] HEVC編碼標準在H. 264/AVC high profile的基礎上，壓縮效率提高一倍，是一種先 進的視頻編解碼標準。然而由于當前信道本身的有效網(wǎng)絡帶寬有限并且實時變化，高清視 頻在無線環(huán)境下的傳輸仍然充滿挑戰(zhàn)。因此，在有限的帶寬內(nèi)合理分配資源使得目前的視 頻質(zhì)量達到最優(yōu)是當前研究的一個熱點和難點。
[0003] 碼率控制是解決上述問題的一個關鍵手段。它能夠?qū)斍靶诺赖臓顟B(tài)反饋給編碼 器，使得編碼器更加合理的分配碼率，從而優(yōu)化視頻的質(zhì)量。碼率控制分為比特分配和比特 控制。在比特分配部分中，采用分層架構，分為G0P層、幀層和基本單元層；在比特控制部分 中，通過調(diào)整編碼參數(shù)使得最后消耗的比特盡量接近預分配的比特。
[0004] 在目前HEVC標準中，采用的是R- λ模型來進行碼率控制，該模型表示如下：
[0005] λ = a .bpp0,
[0006] 其中，bpp是當前視頻序列中每個像素能夠分配到的比特，由當前視頻的分辨率和 當前信道的帶寬以及視頻的幀率決定，α和β是R-λ模型中的編碼參數(shù)，在視頻序列開始 編碼時進行初始化，它們的值由視頻序列的內(nèi)容決定并且在編碼過程中進行迭代更新。由 于自然序列變化比較平緩，因此利用該R- λ模型能夠快速迭代并收斂，也就是說，該R- λ 模型在自然序列中能夠非常精準地控制碼率。但在屏幕內(nèi)容序列中，經(jīng)常出現(xiàn)前后兩幀完 全一樣或者差別巨大的情況，這與自然序列特性存在比較大的差別，屏幕內(nèi)容序列與自然 序列編碼復雜度分析的比較情況如圖1所示，從圖1中可以看出，F(xiàn)ourPeople這個序列是 自然序列，每一巾貞相對于前一巾貞SAD值的變化比較平和，而SlideShow則是屏幕內(nèi)容序列， SAD值的變化比較劇烈。屏幕內(nèi)容序列變化比較劇烈的特性使得當前的碼率分配和比特控 制策略不再適用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出一種HEVC屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法，從而能夠在充分利用帶寬 的iu提下提商視頻的質(zhì)量。
[0008] 本發(fā)明提出的一種HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法包括以下步驟：
[0009] 步驟1 :初始化編碼參數(shù)并建立滑動窗口；
[0010] 步驟2 :為所述滑動窗口分配相應的比特，并且在所述滑動窗口內(nèi)對于視頻序列 進行運動估計，得到視頻序列中的每一幀圖像相對于前一幀圖像的復雜度變化；
[0011] 步驟3 :根據(jù)得到的每一幀的復雜度在滑動窗口內(nèi)對于當前幀進行比特分配；
[0012] 步驟4:判斷當前幀是否為場景切換幀，如是，則對當前幀及其后續(xù)幀進行比特處 理；
[0013] 步驟5 :判斷當前幀是否為最后一幀，如否，則更新所述滑動窗口內(nèi)的比特數(shù)目和 編碼參數(shù)，然后返回步驟3,對于下一幀繼續(xù)進行編碼，如是，則結束當前視頻的編碼過程， 編碼完成。
[0014] 本發(fā)明能夠?qū)τ谄聊粌?nèi)容序列進行有針對性的碼率控制，從而有效地降低了碼率 控制誤差，提升了編碼效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是HEVC中自然序列和屏幕內(nèi)容序列編碼復雜度分析的比較示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法原理框圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明提出一種HEVC屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法，在該方法中，首先初始化編 碼參數(shù)并建立滑動窗口，在滑動窗口內(nèi)對視頻序列進行菱形模板的快速運動估計，通過運 動估計得到每一幀圖像相對于前一幀的復雜度變化；根據(jù)每一幀的復雜度按照比例在滑動 窗口內(nèi)對當前幀進行比特分配；然后根據(jù)當前幀的不同類型，進行不同的編碼處理。
[0019] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0020] 圖2是本發(fā)明HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法原理框圖，圖3是本發(fā)明HEVC 中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法的流程圖，如圖2和圖3所示，所述HEVC中屏幕內(nèi)容編碼 的碼率控制方法包括以下步驟：
[0021] 步驟1 :初始化編碼參數(shù)并建立滑動窗口；
[0022] 在本發(fā)明一實施例中，利用R-λ模型進行碼率控制，所述編碼參數(shù)至少包括R-λ 模型所涉及的編碼參數(shù)和本發(fā)明中增加的一些機制中的參數(shù)，比如滑動窗口的長度，補償 窗口的長度，補償窗口中每一幀的補償權重值以及用于場景切換幀的判斷閾值等參數(shù)；另 夕卜，為了滿足實時性的要求，在本發(fā)明一實施例中，當前滑動窗口的長度設置為8。
[0023] 步驟2 :為所述滑動窗口分配相應的比特，并且在所述滑動窗口內(nèi)對于視頻序列 進行運動估計，得到視頻序列中的每一幀圖像相對于前一幀圖像的復雜度變化；
[0024] 該步驟中，在開始編碼時，初始化相應的緩存，讀入預定幀數(shù)的視頻，然后開始運 動估計。
[0025] 在本發(fā)明一實施例中，運動估計所采用的搜索窗口的大小是[-64,64]。
[0026] 在進行運動估計時，首先從當前幀的參考圖像列表中找到與所述當前幀最相似 的參考圖像，然后基于當前幀和該參考圖像進行運動估計，從而得到當前幀的絕對差值和 (SAD)和每一個編碼樹單元（CTU)的SAD，最后求出當前幀相對于前一幀的SAD。在運動估 計的過程中，可以在所述搜索窗口內(nèi)進行全搜索或者模板搜索來尋找最佳匹配塊，為了加 快估計速度，可以使用模板搜索來減少匹配的時間，同時還可以設置SAD閾值，如果當前得 到的SAD值小于該SAD閾值，則提前退出當前幀的運動估計并得到運動估計的結果。
[0027] 需要說明的是，在進行運動估計的過程中，配置文件不同，參考圖像就不同。
[0028] 步驟3 :根據(jù)得到的每一幀的復雜度在滑動窗口內(nèi)對于當前幀進行比特分配；
[0029] 該步驟中，利用以下幾何模型來進行比特分配：

【權利要求】
1. 一種HEVC中屏幕內(nèi)容編碼的碼率控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟1 :初始化編碼參數(shù)并建立滑動窗口； 步驟2 :為所述滑動窗口分配相應的比特，并且在所述滑動窗口內(nèi)對于視頻序列進行 運動估計，得到視頻序列中的每一幀圖像相對于前一幀圖像的復雜度變化； 步驟3 :根據(jù)得到的每一幀的復雜度在滑動窗口內(nèi)對于當前幀進行比特分配； 步驟4 :判斷當前幀是否為場景切換幀，如是，則對當前幀及其后續(xù)幀進行比特處理； 步驟5 :判斷當前幀是否為最后一幀，如否，則更新所述滑動窗口內(nèi)的比特數(shù)目和編碼 參數(shù)，然后返回步驟3,對于下一幀繼續(xù)進行編碼，如是，則結束當前視頻的編碼過程，編碼 完成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在進行運動估計時，首先從當前幀的參考 圖像列表中找到與所述當前幀最相似的參考圖像，然后基于當前幀和該參考圖像進行運動 估計，從而得到當前幀的絕對差值和SAD和每一個編碼樹單元CTU的SAD，最后得到當前幀 相對于前一幀的SAD。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在進行運動估計時，在所述搜索窗口內(nèi)利 用全搜索或者模板搜索來尋找最佳匹配塊。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在進行運動估計時，還設置有SAD閾值，如 果當前得到的SAD值小于該SAD閾值，則退出當前幀的運動估計。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，利用下式來進行比特分 配：
其中，SW為滑動窗口的初始化長度，Picleft為當前編碼的序列所剩余的幀數(shù)，Nsw表示 在編碼過程中所使用的滑動窗口的大?。籘SWKatelrft代表當前幀編碼完成后滑動窗口內(nèi)剩余 的比特數(shù)目，R tajPF分別為目標碼率和幀率，Tsw^表示在對當前幀進行編碼時滑動窗口 內(nèi)的比特數(shù)目；表示當前幀的復雜度，C sw表示滑動窗口內(nèi)所有幀的復雜度的總和，Τ_Η。 表示當前幀所分配的比特數(shù)目。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中，利用下式來判斷當前幀是 否為場景切換幀：
其中，APflag是表示當前幀是否為場景切換幀的標記變量，CPM表示之前所有編碼幀的 SAD值總和，NPM表示之前所有已編碼幀的數(shù)目。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述比特處理包括：自適應調(diào)整編碼過程 中所使用的編碼參數(shù)λ，以控制當前場景切換幀消耗的比特達到目標比特；以及在場景切 換幀后建立補償窗口，并在補償窗口內(nèi)提高當前幀分配比特的權重。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，對于所述編碼參數(shù)λ進行調(diào)整的步驟包 括以下步驟： 首先，利用下式計算得到當前CTU預分配的目標比特數(shù)RCTU :
其中，表示當前CTU的SAD值，ClrftCTU表示當前幀中沒有編碼的CTU的SAD值總 和，心^?表示當前幀剩余的比特數(shù)目； 然后，依據(jù)當前CTU預分配的目標比特數(shù)RCTU，計算得到R-λ模型中的編碼參數(shù)
其中，RCTU表示當前CTU預分配的目標比特數(shù)，NCTU表示當前CTU中像素的數(shù)目，則
表示當前CTU的每個像素所分配的比特數(shù)，α和β為R-λ模型中計算λ的參數(shù)； 然后，計算當前的調(diào)整參數(shù)Υ :
其中，函數(shù)clip3()表示對當前參數(shù)的限制，函數(shù)clip3()中第一個參數(shù)是允許γ 的下限，第二個參數(shù)是上限，第三個參數(shù)是賦值給Y的值，
表示當前 幀中所有CTU預分配的比特數(shù) ^LastTotalTar 與實際消耗比特數(shù)目 ^LastTotalActual 之間的比例，
表示與當前CTU相鄰的上一個CTU預分配的比特數(shù)& astCTUTa,與實際 消耗比特數(shù)目& astCTUActual 之間的比例； 最后，利用當前的調(diào)整參數(shù)Y來調(diào)整編碼參數(shù)λ。1(1: λ new = Υ * 入 old， 其中，λ 表示調(diào)整之后的編碼參數(shù)，λ。1(1表示調(diào)整之前的編碼參數(shù)。
9. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，如果當前幀不是場景切換幀并且位于補 償窗口內(nèi)，則利用下式對于當前幀進行比特分配：
其中，S是補償權重，i表示當前幀在補償窗口中的位置，TAPartual表示當前補償窗口之 前的場景切換幀實際消耗的比特數(shù)目，?\表示當前幀實際分配到的比特數(shù)目。
10. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，如果當前幀不是場景切換幀并且不在補 償窗口內(nèi)，則采用R-λ模型對其進行碼率控制。
【文檔編號】H04N19/149GK104104951SQ201410369826
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權日:2014年7月30日
【發(fā)明者】孫松林, 郭耀耀, 陳娜, 劉瑋 申請人:北京郵電大學