一种融合视觉感知特性的码率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种融合视觉感知特性的码率控制方法，根据亮度和运动强度对人眼视觉感知的影响，指导LCU层的码率分配，进一步，为了提高率失真性能，结合视觉感知特性，对拉格朗乘子λ和量化参数QP进行修正。采用本发明专利技术的技术方案，与国际编码标准HEVC(HM15.0)相比，码率控制准确性基本不变，视频的主观质量得到提高，且获得了更好的率失真性能，节省比特资源，缓解视频编码的重建图像质量与编码资源占用之间的矛盾，提高了HEVC的编码性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于视频处理
，涉及一种融合视觉感知特性的码率控制方法。
技术介绍
随着多媒体业务的日益完善与广泛应用，视频服务种类激增、高清视频以及超高清视频(4k×2k分辨率；8k×4k分辨率)逐渐普及，着眼于“更低码率”和“更高画质”的高效视频编码标准HEVC(HighEfficiencyVideoCoding,HEVC)应运而生。为了在信道带宽和传输延时受限的情况下，保证视频质量，需要合理地分配编码比特。因此，HEVC标准采用了基于R-λ模型的码率控制技术，该技术被加入到HEVC测试模型HM15.0中。在HM15.0中，码率控制分两步进行：①为各编码单元分配目标比特；②根据R-λ模型为各编码单元确定量化参数。其中比特分配采用分层策略，依次为GOP(GroupofPictures,GOP)层、帧层、LCU(LargeCodingUnit,LCU)层，其结构示意图见附图2。各层均是根据所在层的剩余比特与图像内容特性，为编码单元分配目标比特。HM15.0中的比特分配方法虽然有效利用了比特资源，但忽略了人眼的视觉特性，对于一些人眼关注度较高的区域，比特分配并不理想。若能结合人眼视觉特性指导比特分配，则会大大提高视频的主观质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种融合视觉感知特性的码率控制方法，在保证码率控制准确性基本不变的前提下，提高视频的主观质量，获得更好的率失真性能，节省比特资源，缓解视频编码的重建图像质量与编码资源占用之间的矛盾，提高HEVC的编码性能。本专利技术所采用的技术方案是，一种融合视觉感知特性的码率控制方法，包括以下步骤：第一步：进行GOP层码率控制初始化；第二步：进行帧层码率控制初始化，判断当前帧fn是否为I帧，若是，则编码I帧，然后进入第七步；若不是，则进入第三步；第三步：首先，根据当前帧fn的亮度分量和参考帧fn-1的亮度分量，计算当前帧中每个LCU的亮度均值其中，N为当前编码帧中LCU的个数，进而计算当前帧中每个LCU的亮度感知权重Li(i＝0,1,2LN-1)：其次，计算当前帧中每个LCU的帧间亮度差Di(i＝0,1,2ΛN-1)，进而计算当前帧中每个LCU的运动感知权重Mi(i＝0,1,2LN-1)：Mi=1.01.0+DsDi]]>其中，Ds为：Ds=Σi=1NDi]]>最后，计算当前帧中每个LCU的比特分配权重ωi(i＝0,1,2LN-1)：ωi＝Li×Mi并对ωi做归一化处理：ωi′=ωiΣi=1Nωi]]>第四步：进行LCU层码率控制初始化；第五步：为当前LCU分配目标比特，计算公式如下：Bi＝R×ω′i其中，R为当前编码帧的目标比特。第六步：判断当前LCU是否为当前编码帧中的最后一个LCU，若是，则进入第七步；若不是，则读取下一个LCU，然后返回第四步；第七步：判断当前编码帧是否为GOP的最后一帧，若是，则结束；若不是，则读取下一帧，然后返回第二步。作为优选，在所述第五步中，为了提高本专利技术方法的率失真性能，对当前LCU的拉格朗日乘子λHM15.0进行修正：λnew＝λHM15.0×Kλ其中，Kλ定义为：由于λ改变，不仅会影响率失真性能，还会引起量化参数(QuantizationParameter,QP)的变化，进而影响码率控制的准确性。在HM15.0中的R-λ模型下：QPHM15.0＝4.2005lnλnew+13.7122＝QPTarget+4.2005lnKλ其中，QPTarget为使当前LCU的实际码率达到目标码率所对应的量化参数。因此，为保证码率控制的准确性基本不变，对当前LCU的量化参数进行修正：QPnew＝QPTarget＝QPHM15.0-4.2005lnKλ。本专利技术的有益效果是，在LCU层的码率控制中融合了视觉感知特性，根据亮度和运动强度对人眼视觉感知的影响，指导LCU层的码率分配，然后结合视觉敏感度，修正拉格朗日乘子λ和量化参数QP。与HM15.0码率控制方法相比，本专利技术码率控制方法的准确性基本不变，视频的主观质量与率失真性能均有提升，在传输相同质量视频的情况下，可以有效地节省编码比特数，提高HEVC编码性能。附图说明图1是本专利技术的码率控制方法流程图；图2是GOP层、帧层、LCU层结构示意图；图3是背景亮度敏感阈值曲线示意图；图4是运动强度与帧间亮度差的关系示意图；图5是BlowingBubbles序列第32帧的图像及局部放大图，其中，图5(1)为原始图像，图5(2)为本专利技术编码48032bits,PSNR为36.9214的图像，图5(3)为HM15.0编码49224bits,PSNR为36.9132的图像，图5(4)为原始图像局部放大图，图5(5)为本专利技术编码后的局部放大图，图5(6)为HM15.0编码后的局部放大图；图6是BasketballDrill序列第15帧的图像及局部放大图，其中，图6(1)为原始图像，图6(2)为本专利技术编码26448bits,PSNR为38.6716的图像，图6(3)为HM15.0编码26880bits,PSNR为38.6613的图像，图6(4)为原始图像局部放大图，图6(5)为本专利技术编码后的局部放大图，图6(6)为HM15.0编码后的局部放大图；图7是FourPeople序列第6帧的图像及局部放大图，其中，图7(1)为原始图像，图7(2)为本专利技术编码1328bits,PSNR为39.4392的图像，图7(3)为HM15.0编码1440bits,PSNR为39.4170的图像，图7(4)为原始图像局部放大图，图7(5)为本专利技术编码后的局部放大图，图7(6)为HM15.0编码后的局部放大图。图5～7均是QP＝25时，本专利技术方法与HM15.0方法编码后重建图像的对比结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。为了提高视频的主观质量，本专利技术考虑亮度和运动强度对人眼视觉感知的影响，公开了一种融合视觉感知特性的HEVC码率控制方法，流程如图1所示，具体按照以下步骤进行：第一步：进行GOP层码率控制初始化。第二步：进行帧层码率控制初始化，判断当前帧fn是否为I帧，若是，则编码I帧，然后进入第七步；若不是，则进入第三步。第三步：首先，读取当前帧fn亮度分量和参考帧fn-1的亮度分量。N为当前编码帧中LCU的个数，Yi(x,y)和Yi′(x,y)分别为当前帧和前一帧的第i(i＝0,1,2ΛN-1)个LCU在(x,y)位置处的亮度值。计算当前帧中每个LCU的亮度均值Y‾i=Σy=0H-1Σx=0W-1Yi(x,y)H×W---(1)]]>其中，H和W分别表示当前LCU的高度和宽度。进而计算当前帧中每个LCU的亮度感知权重Li(i＝0,1,2LN-1)：其次，计算当前帧中每个LCU的帧间亮度差Di(i＝0,1,2ΛN-1)：Di=Σy=0H-1Σx=0W-1|Yi(x,y)-Yi′(x,y)|---(3)]]>其中，H和W分别表示当前LCU的高度和宽度。进而计算当前帧中每个LCU的运动感知权重Mi(i＝0,1,2ΛN-1)：Mi=1.01.0+DsDi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种融合视觉感知特性的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：进行GOP层码率控制初始化；第二步：进行帧层码率控制初始化，判断当前帧fn是否为I帧，若是，则编码I帧，然后进入第七步；若不是，则进入第三步；第三步：首先，根据当前帧fn的亮度分量和参考帧fn‑1的亮度分量，计算当前帧中每个LCU的亮度均值其中，N为当前编码帧中LCU的个数，进而计算当前帧中每个LCU的亮度感知权重Li(i＝0,1,2L N‑1)：其次，计算当前帧中每个LCU的帧间亮度差Di(i＝0,1,2ΛN‑1)，进而计算当前帧中每个LCU的运动感知权重Mi(i＝0,1,2L N‑1)：Mi=1.01.0+DsDi]]>其中，Ds为：Ds=Σi=1NDi]]>最后，计算当前帧中每个LCU的比特分配权重ωi(i＝0,1,2L N‑1)： ωi＝Li×Mi并对ωi做归一化处理：ωi′=ωiΣi=1Nωi]]>第四步：进行LCU层码率控制初始化；第五步：为当前LCU分配目标比特，计算公式如下： Bi＝R×ω′i其中，R为当前编码帧的目标比特。第六步：判断当前LCU是否为当前编码帧中的最后一个LCU，若是，则进入第七步；若不是，则读取下一个LCU，然后返回第四步；第七步：判断当前编码帧是否为GOP的最后一帧，若是，则结束；若不是，则读取下一帧，然后返回第二步。...

【技术特征摘要】
1.一种融合视觉感知特性的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：进行GOP层码率控制初始化；第二步：进行帧层码率控制初始化，判断当前帧fn是否为I帧，若是，则编码I帧，然后进入第七步；若不是，则进入第三步；第三步：首先，根据当前帧fn的亮度分量和参考帧fn-1的亮度分量，计算当前帧中每个LCU的亮度均值其中，N为当前编码帧中LCU的个数，进而计算当前帧中每个LCU的亮度感知权重Li(i＝0,1,2LN-1)：其次，计算当前帧中每个LCU的帧间亮度差Di(i＝0,1,2ΛN-1)，进而计算当前帧中每个LCU的运动感知权重Mi(i＝0,1,2LN-1)：Mi=1.01.0+DsDi]]>其中，Ds为：Ds=Σi=1NDi]]>最后，计算当前帧中每个LCU的比特分配权重ωi(i＝0,1,2LN-1)：ωi＝Li×Mi并对ωi做归一化处理：ωi′=ωiΣi=1Nωi]]>第四步：进行LCU层码率控制初始化；第五步：为当前LCU分配目标比特，计算公式如下：Bi＝R×...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏宇，丰泽琪，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11