基于梯度的自適應高性能視頻編碼碼率控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及圖像通信領域中的視頻編碼碼率控制問題，尤其是設及一種高性能視 頻編碼標準肥VC的帖間編碼自適應碼率控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著技術的不斷進步，視頻分辨率逐漸提高，視頻編碼標準也在不斷更新。經過 MPEG、JPEG W及H. 264/AVC等視頻編碼標準的發展與完善，新一代視頻編碼標準肥VC誕生。 雖然與比264/AVC相比，肥VC編碼標準節約了約50%的編碼碼率，但是隨著高清視頻的出 現，節省傳輸數據量的問題逐漸進入人們視野。因此，如何在有限帶寬下，實時傳輸編碼碼 流，盡可能降低時延，同時避免緩沖區數據溢出成為視頻編碼領域研究的熱點。
[0003]目前已有的碼率分配模型主要有S種，R-Q模型、R-P模型和R-A模型，由于R-Q 模型和R-P模型存在較多的缺點，肥VC采用的是最新的R-A模型。肥VC標準的碼率控制 過程分為=層，GOP層，帖層和LCU層。碼率分配的主要思想是根據復雜度進行目標比特分 配，目標比特影響編碼參數更新，編碼參數精確度直接決定實際編碼比特精確度。目前學術 界關于如何使實際比特更加接近目標比特，緩沖區滯留數據量減少，同時使輸出比特更加 平穩的優化算法已有很多，并大多數已經取得了良好的效果。
[0004]在肥VC碼率控制算法的研究中，Zhongzhu Yang等在現有的R-A模型基礎上提 出了一種低延時的基于緩沖區狀態的碼率控制算法，設置較小的緩沖區，利用緩沖區狀態 進行碼率控制，從而達到實際碼率與目標碼率盡量接近，同時避免緩沖區溢出的目的。Ling Tian等人提出了 一種基于梯度的帖內碼率控制算法，通過建立帖內像素的平均梯度與編碼 比特之間的對應關系達到碼率控制的目的，另外還改善了量化參數QP的計算方式，提出一 種新的目標比特與QP之間的對應關系。在H. 264/AVC碼率控制算法的研究中，化n Gu Lee 等人提出一種基于梯度的H. 264/AVC帖內碼率控制算法，在標準的分層基礎上增加了宏塊 行層，利用宏塊行梯度占帖總梯度的比例分配宏塊行目標比特，然后利用每一個宏塊的梯 度占當前宏塊行總梯度的比例分配當前宏塊的目標比特。此外，在帖層分配目標比特時還 使用了緩沖區狀態反饋，達到更準確地分配實際比特的目的。
【發明內容】
[0005] 針對新一代視頻壓縮編碼標準肥VC中的碼率控制問題，本發明利用視頻序列的 帖間相似性及緩沖區狀態，提出了一種基于梯度的自適應高性能視頻編碼碼率控制方法， 降低了緩沖區滯留數據量，降低了時延，提高了視頻質量，在帶寬一定的實時編碼傳輸過程 中具有較好的應用前景。
[0006] 本發明的基本思想是利用梯度作為復雜度的度量方式，自適應地獲取LCU的帖內 帖間梯度表示其復雜度，進行LCU層目標比特分配。同時，利用已編碼帖累加的緩沖區滯留 數據量對帖層目標比特分配進行調節，達到實際比特與目標比特盡量準確的目的。
[0007] 本發明針對肥VC視頻編碼標準提供了一種基于梯度的自適應高性能視頻編碼碼 率控制方法。主要包括緩沖區狀態調節帖層目標比特W及LCU層自適應梯度選擇。在帖層 碼率控制過程中，通過已編碼帖累加的緩沖區滯留數據量對當前帖目標比特進行調節；在 LCU層碼率控制中，對LCU的復雜度表示方式進行改進，對I帖的LCU采用帖內梯度表示復 雜度，對非I帖的LCU自適應選擇帖內帖間梯度的較小值表示復雜度。本發明利用緩沖區 狀態調節帖層目標比特，并根據帖類型自適應地選擇梯度表示復雜度，從而使實際碼率更 加符合給定的目標碼率，并使緩沖區滯留數據量明顯減少，同時使實際比特趨于平穩，W充 分利用有限的帶寬。具體主要包括W下過程步驟：
[0008] (1)根據配置文件設置的目標碼率、帖率W及GOP大小得到GOP層目標比特和帖層 標準目標比特，并設置緩沖區大小；
[0009] (2)判斷當前編碼帖是否為第一帖，若為第一帖，帖層目標比特為標準目標比特加 緩沖區大小。若不是第一帖，帖層目標比特為經過緩沖區狀態調整后的標準目標比特；
[0010] (3)遍歷當前帖的每個LCU，求出其帖內梯度，判斷當前帖是不是I帖，若是I帖， 則將帖內梯度累加得到帖層總梯度。若不是I帖，則遍歷每個LCU，獲取其帖內帖間自適應 梯度，將每個LCU的自適應梯度累加，得到帖層總梯度；
[00川 （4)根據當前LCU的梯度占當前帖總梯度的比例分配每個LCU的目標比特，并根據 LCU的尺寸得到每個LCU的模擬帶寬；
[0012] (5)進入xCompressCU，對每個LCU進行編碼，其編碼實際比特與模擬帶寬的差值 累加到緩沖區，得到已編碼帖累加的緩沖區滯留數據，并在下一帖的帖層比特分配時進行 反饋調節，得到下一帖的目標比特。
[0013] 在本發明的上述技術方案中，所述帖層標準目標比特為配置文件設置的目標碼率 除W帖率得到的每帖目標比特，未經緩沖區狀態調整，而所述帖層目標比特是經緩沖區狀 態調整后的帖層目標比特。
[0014] 在本發明的上述技術方案中，所述緩沖區大小為帖層標準目標比特的S分之一。
[0015] 在本發明的上述技術方案中，所述緩沖區狀態調整帖層目標比特的具體方法為：
…
[0017] 其中，化aiVf表示每帖的標準目標比特，bufsize表示緩沖區大小，bu化sed表示 緩沖區滯留數據量。0為調整系數，經過實驗統計，本發明的方法取最優值2。
[0018] 在本發明的上述技術方案中，所述帖間梯度為當前LCU每個像素點與參考帖相同 位置的像素點之間的亮度差值累加，具體求解公式為：
[0019] R(x,y) =If(x,y)-I,(x,y)似
[0021] 其中，If(x，y)表示當前位置像素亮度，If(x，y)表示參考帖同位置像素亮度。 j，k)即為帖間梯度。
[0022] 在本發明的上述技術方案中，所述非I帖的自適應梯度為帖內梯度與帖間梯度的 較小值表示當前LCU的復雜度。
[0023] 在本發明的上述技術方案中，所述LCU模擬帶寬為根據當前LCU的尺寸占帖尺寸 的比例分配的LCU目標比特。
[0024] 根據本發明的上述方法可W編制執行上述基于梯度的自適應高性能視頻編碼碼 率控制方法的肥VC視頻編碼器。
[00巧]本發明是基于W下思路分析而完成的：
[0026] 標準的肥VC碼率控制算法主要分為兩步：第一步是根據帖結構、紋理復雜度等參 數進行目標比特分配；第二步是根據目標比特調整編碼器參數，從而影響實際比特分配，使 實際比特更加接近目標比特。由于目標比特分配是碼率控制的首要一步，其準確程度直接 影響著后續編碼的性能，因此，碼率控制優化方法主要是通過改善目標比特分配的方法來 改善碼率控制效果。
[0027] 肥VC目標碼率分配方法分為S層：GOP層是碼率控制的第一層，該層通過提前設 置的目標碼率、序列帖率W及GOP的大小等參數設置一個GOP的目標比特。帖層目標比特 取決于當前帖在GOP中的位置，即當前帖在GOP中目標比特所占結構權重。LCU層目標比 特取決于當前LCU的復雜度在帖復雜度中所占權重。帖層目標比特影響LCU層目標比特， LCU層目標比特影響LCU層編碼參數更新，從而影響LCU層實際編碼比特，最終影響帖層實 際比特。因此，可W通過改善帖層和LCU層目標比特分配方式來改善碼率控制性能。
[0028] 碼率控制效果的主要參數之一是實際編碼比特與固定帶寬之間的差值，即緩沖區 滯留數據量。緩沖區滯留數據量少而且平穩，表示在固定帶寬實時傳輸情況下的延時低，反 之亦然。為了優化帖層目標比特的分配，本發明的方法采用了已編碼帖緩沖區狀態反饋機 審IJ。通過當前緩沖區狀態來調整當前帖的目標比特，使當前帖實際編碼比特更加精確，同時 使該帖累加到緩沖區的數據對緩沖區滯留數據量有所調整。
[0029] 帖層碼率控制的效果由LCU層比特分配效果直接決定。在標準的肥VC碼率控制 方法中，LCU層目標比特分配采用復雜度權重的方式，其復雜度用MAD表示。常用的復雜度 表示方式還有SATD、Sobel算子等，而梯度表示復雜度的方式因為計算比較簡單而被廣泛 應用。因此，通過改善LCU層梯度復雜度的計算方式使每個LCU實際編碼比特盡量準確也 是本發明方法的一個重要特點。由于視頻序列的帖間相似性，本發明方法將梯度的計算擴 展到了帖間：對于I帖，直接采用帖內梯度表示復雜度，對于非I帖，獲取帖內梯度和帖間梯 度，采用二者較小值表示復雜度。
[0030] 與標準的肥V