一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法及终端组成比例

本发明专利技术公开了一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法及终端，计算LCU的原始像素值与预测像素值的平均绝对误差，并计算LCU的运动矢量的平均幅度大小，基于平均绝对误差和平均幅度大小确定LCU的目标比特分配的权重，基于LCU的目标比特分配的权重计算LCU的目标比特分配，实现了对LCU层的改进，通过在LCU层比特分配过程中使用视频内容变化作为预分配目标比特数的一个权重，能够对视频内容变化大的编码单元分配较多的目标比特数，而对视频内容变化小的编码单元分配较小的目标比特数，实现编码比特数的合理分配，提高了视频主观和客观质量，从而确保内容变化较大的视频具有尽可能高的视频质量。有尽可能高的视频质量。有尽可能高的视频质量。

【技术实现步骤摘要】
一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法及终端


[0001]本专利技术涉及视频编码
，尤其涉及一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法及终端。

技术介绍

[0002]随着近年来人们对视频质量的要求越来越高以及视频采集设备的迅猛发展，视频数据量成几何级数增长。高质量和高帧率等参数要求给码率控制技术带来了巨大的挑战。在智能驾驶应用中，对于视频编码过程中如何解决存储空间紧张的同时保证视频的高质量是一个巨大的挑战。
[0003]在整个视频编码过程中，码率控制是一个核心的模块。H.265/HEVC(High EfficiencyVideo Coding，高效视频编码)视频编码标准中原有的码率控制算法，针对官方给出的测试视频具有较好的编码性能，其原因是这些测试视频具有变化缓慢，视频背景变化较小等特点。
[0004]由于H.265/HEVC采用了更加灵活的编码树单元结构以及引入许多新的技术，使得头信息占输出码率的比重越来越大，为此在H.265/HEVC视频编码标准中R
‑
D模型和R
‑
Q模型的码率控制方法已经不再适用。HEVC采用了一种新颖的基于R
‑
λ模型的λ域码率控制算法，使用双曲线模型来精确刻画编码算法中的R
‑
D码率失真模型。
[0005]D(R)＝CR
‑
K
； (1)
[0006]如公式(1)所示，其中D表示经过压缩编码后的视频失真，R表示压缩后的比特率，以每像素消耗比特(bpp，bitperpixel)为单位，C和K是和序列特性相关的模型参数，不同的视频序列C、K的取值不同。
[0007]在码率控制时，在R
‑
D码率失真模型的基础上通过码率R和编码使用的拉格朗日乘子λ之间建立数学关系，并利用调整λ的方法达到所期望的目标码率。
[0008][0009]如公式(2)所示，可以通过该公式计算拉格朗日乘子λ，其中α＝CK，β＝
‑
K
‑
1。因此，α和β这两个参数也与序列的特性相关，不同序列具有不同的取值。
[0010]由公式(2)进一步得到码率R与λ关系，如公式(3)所示。
[0011][0012]由公式(3)可知，码率R完全由拉格朗日乘子λ所决定。λ是由所有实际工作点的凸包络决定的R
‑
D曲线的斜率绝对值，码率R和拉格朗日乘子λ之间存在着一一对应关系。由于R
‑
D曲线是凸函数，基于某个λ值计算代价最小化等效于使用斜率绝对值为λ值的直线去逼近R
‑
D曲线，而此直线仅会和R
‑
D曲线相切于一点。因此，λ值能够决定码率R和视频失真D。
[0013]为了达到所分配的某个目标码率R，编码器将根据公式(2)决定相关联的λ值，并将其用于编码过程。当编码使用的λ值确定后，所有其他的编码参数均应由率失真优化决定。
[0014]HEVC码率控制中的比特分配在三个层次进行，GOP级别、图片级别以及基本编码单元(LCU)级别。对于在GOP中的目标比特分配，假设一个GOP中有N
GOP
个图片。根据已经消耗的GOP，对当前待编码的GOP目标比特T
GOP
作出了相应的调整，使用平滑窗口SW，用来平滑GOP的目标比特数。因此GOP中的目标比特T
GOP
由公式(4)计算获得。
[0015][0016]其中，R
PicAvg
表示每帧的平均码率，N
coded
表示完成编码的帧数，R
coded
表示已消耗的比特数，SW是滑动窗口的尺寸，它表示对缓存区状态的调整尺度，其值一般为40。
[0017]对于帧级别的目标比特分配，是为了保证编码中的每一帧实际分配到的比特数能够更加接近目标比特数，使用当前GOP中剩余的比特预算，然后结合每帧的比特分配权重ω
i
，计算获得每个图片的目标比特数，如下公式(5)。
[0018][0019]其中，ω
i
表示第i帧图片的比重，ω
CurrP
表示当前帧的比重。
[0020]在对帧级别进行目标比特分配时，有两种分配方案：均匀分配和分层分配。其中ω
i
的值设置包括：均匀分配和分层分配两种方式。所谓均匀分配就是保证视频帧的比特数分布均衡，因此ω
i
值必须相等。分层比特分配就是根据图片在GOP中不同位置来设定ω
i
的值。
[0021]一个LCU可以包含一个或者几个连续的CU(Coding Unit，编码单元)。LCU级别的码率分配是将当前图片剩余的比特按照比例分配到当前图片剩余的基本单元中。HEVC根据估计的MAD值按照公式(6)进行基本单元级码率分配。
[0022][0023]其中，T
Pic
表示当前编码帧的目标码率，Bit
H
表示预先估计的图片头信息(包括Slice Header等)的比特，其使用之前编码的属于同一级别图片的头信息的比特的平均值进行估计，Coded
Pic
表示当前帧编码已获得的比特数，ω
BUCurr
表示当前基本单元的码率分配权重，ω
BU
表示当前帧未编码的各基本单元的分配权重，ω
BU
根据估计的MAD值进行计算，而MAD值根据之前编码的，在同一级别图片中处于同一位置的基本单元的预测误差，按照公式(7)进行计算，该值可以通过先前的编码预先得到。
[0024][0025]在公式(7)中，N
pixels
表示基本单元BU中像素的数目，P
org
表示原始像素值，P
pred
是预测像素值，ω
BU
可以按照公式(8)进行计算。
[0026][0027]在码率控制过程中，HEVC根据缓冲区的占有情况在对每一级别的编码单元分配合
适数量的比特，为了达到所分配的某个目标码率R，编码器将根据公式(2)决定相关联的λ值，并将其用于编码过程。当编码使用的λ值确定后，所有其他的编码参数均应由率失真优化(RDO，Rate
‑
Distortion Optimization)决定。
[0028]但在公式(2)中，由于不同的序列往往拥有不同的α和β值，即使对于同一序列，处于不同级别的图片也可能拥有完全不相同的α和β。为了使α和β值可以随着视频序列的特性自适应更新，HEVC采用如下模型更新算法，如公式(9)、公式(10)与公式(11)所示。
[0029][0030]α
new
＝α
old
+δ
α
×
(Inλ
real
‑
Inλ
comp
)
×
α
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征在于，包括步骤：计算LCU的原始像素值与预测像素值的平均绝对误差，并计算所述LCU的运动矢量的平均幅度大小；基于所述平均绝对误差和所述平均幅度大小确定所述LCU的目标比特分配的权重；基于所述LCU的目标比特分配的权重计算所述LCU的目标比特分配。2.根据权利要求1所述的一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征在于，所述计算LCU的原始像素值与预测像素值的平均绝对误差包括：式中，MAD表示平均绝对误差，N
pixels
表示当前LCU的像素个数，表示当前LCU的原始像素值，表示当前LCU的预测像素值。3.根据权利要求1所述的一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征在于，所述计算所述LCU的运动矢量的平均幅度大小包括：获取所述LCU的运动矢量，所述运动矢量包括水平分量和垂直分量；计算所述水平分量的均值以及所述垂直分量的均值；根据所述水平分量的均值和所述垂直分量的均值计算所述运动矢量的平均幅度大小。4.根据权利要求3所述的一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征在于，所述计算所述水平分量的均值以及所述垂直分量的均值包括：在于，所述计算所述水平分量的均值以及所述垂直分量的均值包括：式中，表示所述水平分量的均值，表示所述垂直分量的均值，N表示整个LCU的运动矢量的平均幅度的个数，i表示第i个LCU的运动矢量的平均幅度；所述根据所述水平分量的均值和所述垂直分量的均值计算所述运动矢量的平均幅度大小包括：式中，Mv
Value
表示所述运动矢量的平均幅度大小。5.根据权利要求1所述的一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征在于，所述基于所述平均绝对误差和所述平均幅度大小确定所述LCU的目标比特分配的权重包括：G
LCU
(i)＝τ
×
Mv
Value
+v
×
MAD2；式中，G
LCU
(i)表示第i个LCU的目标比特分配的权重，τ表示第一拟合参数，v表示第二拟合参数。6.根据权利要求5所述的一种面向运动视频的HEVC码率控制的比特分配方法，其特征
在于，所述基于所述LCU的目标比特分配的权重计算所述LCU的目标比特分配包括：获取当前图片的总目标比特分配、当前帧的头信息编码的实际比特数以及当前帧已消耗的编码比特数；根据所述当前图片的总目标比特分配、所述当前帧的头信息编码的实际比特数、所述当前帧已消耗的编码比特数和所述LCU的目标比特分配的权重计算所述LCU的目标比特分配。7.根据权利要求6所述的一种面向运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈素琼，张进，
申请(专利权)人：福建高图信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：