基于梯度的全I帧视频码率控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法及控制系统。其中，该控制方法包括：步骤1：确定视频中每一帧的平均梯度值；步骤2：对当前帧进行位分配；步骤3：利用相邻帧的平均梯度值确定当前帧是否为场景切换帧；步骤4：当前帧为场景切换帧时，初始化R‑Q模型参数，利用码率‑量化步长R‑Q模型计算当前帧的量化参数；步骤5：基于当前帧的量化参数和当前帧已编码最大编码单元LCU剩余比特数，计算当前帧每一LCU的量化参数；步骤6：更新R‑Q模型中的参数，确定当前视频剩余比特数。本发明专利技术通过采用上述技术方案，解决了如何在保证全I帧码率控制精度的前提下，以较低的计算代价，使编码视频质量较好，且保持较小缓冲区占有率的技术问题。

All I-frame video rate control method and control system based on gradient

The invention discloses a full I-frame video rate control method and control system based on gradient. Among them, the control method includes 1 steps: the average gradient of each frame to determine the value of the video; step 2: assignment of the current frame; step 3: using the average gradient of adjacent frames determines whether the current frame for the scene switching frame; step 4: the current frame for the scene switching frame, initialization parameters R Q model, quantization parameter calculation using the current frame rate R quantization step Q model; step 5: the current frame and the current frame encoding quantization parameter has maximum encoding unit LCU residual bit number based on the calculation of quantitative parameters of the current frame of each LCU; step 6: update R parameters in Q model. The remaining bits of video. The invention adopts the technical scheme, solve the premise of how to ensure the control precision of all I-frame rate, with low computational cost, the better quality of video encoding technology, and maintain a smaller buffer occupancy rate.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及视频编码
，具体涉及一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法及基于梯度的全I帧视频码率控制系统，但绝不限于此。
技术介绍
在视频通信、流媒体传输等视频服务中，码率控制扮演着重要的角色。它控制着输出流，使之满足信道带宽和缓冲区的约束，在此基础上尽可能保证视频质量的失真最小。码率控制的难点在于，给定一个量化参数QP，相同大小的图像，相同的编码方式，图像内容不同，最终编码消耗的比特数也截然不同。因此，当给定一个视频序列，如何选定QP去编码图像，让输出的码流符合带宽限制，且尽可能减小视频失真，同时满足某些视频应用要求的实时性(缓冲区占有率低)，一直是热点研究的问题。码率控制一般分两步进行，第一步是位分配，即根据控制目标为每一帧，甚至每个LCU(最大编码单元)分配一定的比特数；第二步是根据R-Q模型计算量化参数QP，R-Q模型可以是帧级或者LCU级的，并且R-Q模型中会有一个特征量刻画编码单元的复杂度。经典码率控制算法包括MPEG-2的TM5、H.263的TM8、MPEG-4的VM8和H.264的JM18。上述经典算法都是基于图像组(GOP)的码率控制。由于一个GOP中只有第一帧是I帧，剩余帧都是帧间预测帧(P/B帧)，所以考虑码率控制问题的时候通常以P/B帧作为重点，比如TM8中的复杂度是用运动预测后得到的残差系数的方差来衡量；VM8和JM18则是利用运动残差绝对差值(MAD)来衡量复杂度。因此上述算法照搬成全I帧码率控制并不适用。而相比于基于图像组(GOP)的码率控制，全I帧的码率控制帧与帧之间的编码没有时间依赖性，从而有更好的并行度，在内容创作和后期制作技术方面有广泛的应用，所以全I帧码率控制也是一个值得研究的问题。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术实施例的主要目的可在于：提供一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法，其至少部分地解决了如何在保证全I帧码率控制精度的前提下，以较低的计算代价，使编码视频质量较好，且保持较小缓冲区占有率的技术问题。此外，还提供了一种基于梯度的全I帧视频码率控制系统。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了以下技术方案：一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法，所述方法可以包括：步骤1：确定所述视频中每一帧的平均梯度值；步骤2：根据视频剩余比特数和缓冲区饱和情况对当前帧进行位分配；步骤3：利用相邻帧的平均梯度值确定所述当前帧是否为场景切换帧；步骤4：在所述当前帧为场景切换帧的情况下，基于所述平均梯度值和所述当前帧的位分配结果，利用码率-量化步长R-Q模型计算所述当前帧的量化参数；步骤5：基于所述当前帧的量化参数和所述当前帧已编码最大编码单元LCU剩余比特数，计算所述当前帧每一所述LCU的量化参数；步骤6：基于所述当前帧的所述平均梯度值和所述当前帧每一所述LCU的量化参数，更新所述R-Q模型中的参数，确定当前视频剩余比特数，将所述当前视频剩余比特数返回至步骤2，并将更新后的R-Q模型参数反馈至步骤4，直至视频编码结束。优选地，所述步骤1具体包括：根据以下公式确定所述视频中每一帧的所述平均梯度值： A G = 1 H × W Σ i = 0 H - 1 Σ j = 0 W - 1 ( | P i , j - P i + 1 , j | + | P i , j - P i , j + 1 | ) ]]>其中，所述AG表示所述当前帧的平均梯度值，所述H和所述W分别表示所述每一帧的高度和宽度，所述Pi,j表示所述每一帧中位于(i,j)位置的像素值。优选地，所述步骤2具体包括：根据以下公式对所述当前帧进行位分配：Tk＝restk/rest_frame_num其中，所述k表示帧号；所述Tk表示所述当前帧分配的比特数；所述restk表示编码所述当前帧时视频剩余比特数；所述rest_frame_num表示编码所述当前帧时视频剩余的帧数；根据以下公式确定编码所述当前帧时的所述缓冲区大小： B k = B k - 1 + R k - 1 - t a r g e t _ b i t r a t e f p s ]]>其中，所述Bk表示编码所述当前帧时的所述缓冲区大小，B1＝0；所述Rk-1表示编码第k-1帧消耗的实际比特数；所述target_bitrate表示目标码率；所述fps表示帧率；利用以下公式对所述当前帧位分配的结果进行限幅截断： t a r g e t _ b i t r a t e f p s - B k < T k < β T F + t a r g e t 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法，其特征在于，所述方法至少包括：步骤1：确定所述视频中每一帧的平均梯度值；步骤2：根据视频剩余比特数和缓冲区饱和情况对当前帧进行位分配；步骤3：利用相邻帧的平均梯度值确定所述当前帧是否为场景切换帧；步骤4：在所述当前帧为场景切换帧的情况下，基于所述平均梯度值和所述当前帧的位分配结果，利用码率‑量化步长R‑Q模型计算所述当前帧的量化参数；步骤5：基于所述当前帧的量化参数和所述当前帧已编码最大编码单元LCU剩余比特数，计算所述当前帧每一所述LCU的量化参数；步骤6：基于所述当前帧的所述平均梯度值和所述当前帧每一所述LCU的量化参数，更新所述R‑Q模型中的参数，确定当前视频剩余比特数，将所述当前视频剩余比特数返回至步骤2，并将更新后的R‑Q模型参数反馈至步骤4，直至视频编码结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度的全I帧视频码率控制方法，其特征在于，所述方法至少包括：步骤1：确定所述视频中每一帧的平均梯度值；步骤2：根据视频剩余比特数和缓冲区饱和情况对当前帧进行位分配；步骤3：利用相邻帧的平均梯度值确定所述当前帧是否为场景切换帧；步骤4：在所述当前帧为场景切换帧的情况下，基于所述平均梯度值和所述当前帧的位分配结果，利用码率-量化步长R-Q模型计算所述当前帧的量化参数；步骤5：基于所述当前帧的量化参数和所述当前帧已编码最大编码单元LCU剩余比特数，计算所述当前帧每一所述LCU的量化参数；步骤6：基于所述当前帧的所述平均梯度值和所述当前帧每一所述LCU的量化参数，更新所述R-Q模型中的参数，确定当前视频剩余比特数，将所述当前视频剩余比特数返回至步骤2，并将更新后的R-Q模型参数反馈至步骤4，直至视频编码结束。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：根据以下公式确定所述视频中每一帧的所述平均梯度值：其中，所述AG表示所述当前帧的平均梯度值，所述H和所述W分别表示所述每一帧的高度和宽度，所述Pi,j表示所述每一帧中位于 (i,j)位置的像素值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：根据以下公式对所述当前帧进行位分配：Tk＝restk/rest_frame_num其中，所述k表示帧号；所述Tk表示所述当前帧分配的比特数；所述restk表示编码所述当前帧时视频剩余比特数；所述rest_frame_num表示编码所述当前帧时视频剩余的帧数；根据以下公式确定编码所述当前帧时的所述缓冲区大小：其中，所述Bk表示编码所述当前帧时的所述缓冲区大小，B1＝0；所述Rk-1表示编码第k-1帧消耗的实际比特数；所述target_bitrate表示目标码率；所述fps表示帧率；利用以下公式对所述当前帧位分配的结果进行限幅截断：其中，所述TF表示目标缓冲区比率；所述β表示所述缓冲区饱和度上限。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：根据以下公式确定相邻帧的平均梯度值：|AG(k)-AG(k-1)|＞δ其中，所述AG(k)表示第k帧的平均梯度值；所述AG(k-1)表示第(k-1)帧的平均梯度值；所述δ表示固定阈值参数；若上述公式结果为真，则确定所述当前帧为所述场景切换帧；否则，确定所述当前帧不是所述场景切换帧。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：初始化所述R-Q模型中的α参数；基于所述当前帧位分配的结果和所述当前帧的平均梯度值及所述α参数，利用所述R-Q模型，计算所述当前帧的帧级的量化步长；根据以下公式计算所述当前帧的量化参数：QPk＝6×log2(Qk/0.85)+12其中，所述QPk表示所述当前帧的量化参数；所述Qk表示所述当前帧的帧级的量化步长。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述当前帧不为场景切换帧的情况下，利用所述R-Q模型计算所述当前帧的量化参数并进行限幅。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述R-Q模型计算所述当前帧的量化参数并进行限幅，具体包括：基于所述当前帧位分配的结果和所述当前帧的平均梯度值及所述α参数，利用所述R-Q模型，计算所述当前帧的帧级的量化步长；根据以下公式计算所述当前帧的量化参数：QPk＝6×log2(Qk/0.85)+12其中，所述QPk表示所述当前帧的量化参数；所述Qk表示所述当前帧的帧级的量化步长；根据以下公式对所述当前帧的量化参数进行限幅；其中，表示前一帧每一LCU的平均量化参数；所述Δ1表示大于0的固定参数。8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于，所述基于所述当前帧位分配的结果和所述当前帧的平均梯度值及所述α参数，利用所述R-Q模型，计算所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐桐，李玲，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11