一種時域依賴的碼率控制比特分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種時域依賴的碼率控制比特 分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視頻壓縮給今天的人們帶來了各種生活、工作、娛樂上的便利，比如可視電話、視 頻會議、高清電視等等。視頻壓縮則依賴于視頻編碼技術(shù)在過去幾十年的長足發(fā)展，從早期 的H. 261到今天的H. 264和HEVC，視頻編碼技術(shù)通過一代一代的演進，大致確立了混合編碼 框架的編碼結(jié)構(gòu)。各種模塊技術(shù)的演進則極大地提升了視頻編碼的性能，最新的HEVC已經(jīng) 實現(xiàn)了相比上一代編碼器H. 264提升50%性能的要求。
[0003] 在所有的視頻編碼技術(shù)中，碼率控制扮演著舉足輕重的角色，特別是在實時通信 系統(tǒng)中，因為其有限的帶寬，精確的碼率控制顯得尤為重要。具體來說，碼率控制就是在一 個給定的碼率下，盡可能地提升視頻的編碼質(zhì)量。對絕大多數(shù)碼率控制方案，通常的做法就 是給不同的幀和編碼單元分配合適的目標(biāo)比特。比如MPEG-2采用了 TM5碼率控制算法， MEPG-4 采用了 VM8 算法，H.264/MPEG-4Advanced Video Coding(AVC)采用了 R-Q 算法，最 新的HEVC則采用了 R-Iambda算法。
[0004] 在這些傳統(tǒng)的算法中，在編碼單元層的碼率控制均是根據(jù)其內(nèi)容復(fù)雜度來確定 的。盡管這種方法能夠在一定程度上反映出其最終的編碼比特，但是其忽略了編碼單元在 時域上的相關(guān)性，根據(jù)其目標(biāo)比特設(shè)定的編碼參數(shù)僅僅對當(dāng)前編碼單元有利，而沒有考慮 到對其時域相關(guān)的編碼單元的影響。一些復(fù)雜度較低但時域相關(guān)性很強的編碼單元有可能 會被一種低質(zhì)量的方式編碼，導(dǎo)致后續(xù)參考該編碼單元的所有編碼單元的編碼質(zhì)量遭受嚴(yán) 重的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有視頻編碼技術(shù)的缺陷，提供一種時域依賴的碼率控制比特分配方 法，該方法通過探測當(dāng)前編碼單元與后續(xù)幀的時域相關(guān)性，并以此指導(dǎo)當(dāng)前編碼單元的目 標(biāo)比特分配，從而獲得更好的編碼性能。
[0006] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所述的時域依賴的碼率控制比特分配方法包括如下步 驟：
[0007] ①預(yù)先讀取當(dāng)前編碼幀的后續(xù)多幀，構(gòu)造時域傳播鏈；
[0008] ②根據(jù)預(yù)設(shè)量化參數(shù)和前一幀各個編碼單元的失真情況，獲取時域傳播鏈上各幀 的運動補償預(yù)測誤差估計和失真估計等信息；
[0009] ③根據(jù)時域傳播鏈的各幀信息，獲取當(dāng)前編碼幀各個編碼單元的時域傳播因子；
[0010] ④根據(jù)時域傳播因子和編碼單元復(fù)雜度分配各個編碼單元的目標(biāo)比特；
[0011] ⑤根據(jù)目標(biāo)比特設(shè)定合適的拉格朗日乘子，實現(xiàn)碼率控制功能。
[0012] 優(yōu)選地，所述④中，各個編碼單元的目標(biāo)比特不僅由編碼單元自身的內(nèi)容復(fù)雜度 確定，還由編碼單元在時域上的傳播因子確定；
[0013] 設(shè)表示由編碼單元內(nèi)容復(fù)雜度確定的目標(biāo)比特，：4"/表示由時域權(quán)重確定的 目標(biāo)比特，則編碼單元最終的目標(biāo)比特T ctu為
[0014]
[0015] 其中μ是權(quán)重因子，表明時域權(quán)重比特分配方法應(yīng)在整個比特分配中占多大的 比重。
[0016] 本發(fā)明設(shè)計的時域依賴的碼率控制比特分配方法，在給某個編碼單元分配目標(biāo)比 特的時候，將其時域相關(guān)的編碼單元均考慮進來，具體地，如果當(dāng)前編碼單元被多次參考， 則認(rèn)為其時域權(quán)重比較高，給其分配相對較多的比特，使其以一種較高質(zhì)量的方式編碼，這 樣就能夠保證所有與其時域相關(guān)的編碼單元的質(zhì)量。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0018] 本發(fā)明考慮了后續(xù)多幀的時域相關(guān)性對當(dāng)前編碼幀的指導(dǎo)作用，因而能夠獲取整 個編碼序列的全局最優(yōu)。
【附圖說明】
[0019] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0020] 圖1是本發(fā)明的時域依賴度的碼率控制比特分配方法的流程圖；
[0021 ] 圖2是時域傳播鏈構(gòu)造的示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實施例中BQSquare第346幀在兩種方法下編碼的結(jié)果；
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例中RaceHorses第132幀在兩種方法下的編碼結(jié)果。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0025] 此處把本發(fā)明應(yīng)用到最新的HEVC編碼框架的碼率控制方法中。具體操作流程如 圖1所示。其中第一步到第三步是通過時域傳播鏈來計算各個編碼單元的時域因子，第四 步到第五步是根據(jù)時域因子給每個編碼單元分配合適的比特，實現(xiàn)時域依賴的碼率控制功 能。下面先介紹時域因子的計算方式，然后再此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹時域依賴的碼率控制的優(yōu) 化。
[0026] 1.時域傳播因子的計算
[0027] 源失真時域傳播鏈將率失真優(yōu)化問題改寫為如下形式
[0028]
(1)
[0029] 其中〇1表示第i個編碼單元的編碼參數(shù)，D ,表示第j個編碼單元的失真，N表示 時域傳播鏈的長度，Ag是對N個編碼單元全局最優(yōu)的拉格朗日乘子。因為當(dāng)前編碼單元的 失真有可能會傳播到后續(xù)幀里面的幾個時域相關(guān)的編碼單元，上式將所有時域相關(guān)的編碼 單元的失真考慮進來，是一種比較全面的率失真優(yōu)化方案，最終的選擇是對整個序列的全 局最優(yōu)。
[0030] 本發(fā)明通過構(gòu)造一個時域傳播鏈來解決上述率失真優(yōu)化問題。圖2展示了一個長 度為3的時域傳播鏈，其中Frame 1表示當(dāng)前編碼幀，F(xiàn)rame 2和Frame 3表示當(dāng)前編碼幀 在時間上的后續(xù)幀。對當(dāng)前幀里面的每一個編碼單元，如CU1，通過前向搜索，可以找到其在 下一幀里面最匹配的編碼單元⑶ 2，如果CU2跨越幾個編碼單元，取其覆蓋面積最大的編碼 單元的運動向量，然后繼續(xù)向前搜索，直到傳播鏈的最后一幀，這樣就可以構(gòu)造出一條時域 傳播鏈。
[0031] 假定編碼單元失真D1+1與運動補償預(yù)測誤差A(yù)tr之間存在如下關(guān)系
[0032]
<2)
[0033] 其中R1+1表示編碼單元i+Ι的編碼比特，b是一個跟源分布相關(guān)的常數(shù)，Α??？?以近似地表示為
[0034]
(3)
[0035] 其中F1+1是編碼單元i+Ι的像素值，爲(wèi)是編碼單元i的重建像素值， 在原始幀上使用前向搜索后的源失真，α取經(jīng)驗值0.94。將其代入（2) 式，可以得到
[0036] (4)
[0037] 均和當(dāng)前編碼單元的編碼參數(shù)(^相 互獨立。通過反復(fù)迭代，就可以估計傳播鏈上所有編碼單元的失真。第k個編碼單元的失 真估計可以表示為
[0038] Dk= β k · β k !.....β i+i · DjCk (5)
[0039] 從而（I)式就可以重寫為
[0040]
(6)
[0041] 其中時域傳播因子被定義為
[0042]
0)
[0043] 它衡量了當(dāng)前編碼單元有多少信息量將被傳播到其時域相關(guān)的后續(xù)幀。從（2) (4) 式可知
[0044]
(8)
[0045] 根據(jù)⑶式，AT可以通過DjP ATp估計得到，D1+1可以通過D1T和量化步長 Q估計得到：
[0046]
(9)
[0047] 通過假定運動補償預(yù)測誤差的DCT系數(shù)服從拉普拉斯分布，可以證明，對絕大多 數(shù)視頻，F(xiàn)( Θ )有一個穩(wěn)定的分布，可以制成如表1所示的查找表。該查找表是以〇. 5為步 長制定的，若當(dāng)Θ處于兩個值的區(qū)間內(nèi)部時，取其最近的Θ對應(yīng)的F(0)值即可。
[0048] 表1F(0)查找表
[0049]<