基于模糊逻辑的码率控制方法及视频编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及视频编码技术与模糊控制技术。
【背景技术】
[0002] 随着网络视频实时通信需求的高速增长和网络流媒体点播的广泛普及，圓于相 对有限且实时可变的网络带宽，服务质量和播放效果常常不尽如人意。码率控制（Rate Control,RC)在视频图像压缩技术和网络传输领域的重要性愈加突显。
[0003] 码率控制是视频图像编码器一端的集成模块，它基于网络可用带宽严格控制信道 上输出的视频比特流速率，实现稳定的视频图像传输和播放，同时获得视觉质量和可用带 宽之间的最佳平衡。为了获得视觉质量和带宽之间的最佳平衡，通常码率控制器通过设置 假想参考解码缓冲区的容量反馈数值来计算和分配编码输出比特，尽可能地保持平稳的视 频输出流，并在有限的通信带宽下提供最小失真的视频图像解码视觉质量。码率控制是视 频编码器中重要的功能组成部分，在现有的各种视频编码标准和实际应用中都存在实际的 解决方案。
[0004] 随着视频点播、视频电话通信、网络视频监控等视频应用的兴起，视频图像的及时 高质量传输及服务保障成为当前比较迫切的技术需求，适用于多种视频编解码标准的低延 迟码率控制系统具有强烈的现实意义。
[0005] 视频图像的分辨率在编码开始前即被给定，W像素点宽W和高H的乘积形式表示。 目标比特率TBR在编码开始时被设置，单位为比特每秒bps,在编码过程中的任意时刻都可 W被改写。当TBR初始设置后，不被改写的情况称为恒定比特率CBR，被改写一次或一次W 上的情况称为可变比特率VBR。在不引起混淆的情况下，TBR被认为是可W变动的输入参 数，当TBR取值在编码过程中保持不变，则认为是CBR模式，当TBR取值在编码过程中发生 改变，则认为是VBR模式。帖率F即每秒播放的帖的数量，单位帖每秒巧S。受图像采样的 限制，信源帖率F,在视频编码前被给定。实际编码帖率Fe通常被初始设置为与F,保持一 致，但也可W被设置为与F,不相等。视频编码码率可W由每像素点比特bpp来进行指标统 一，那么，可W将目标比特率规范化为像素点目标比特化PP，由公式（1)计算获得。
[0006]
【主权项】
1. 基于模糊逻辑的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 计算当前帧像素点目标比特值Tbpp; 2) 更新当前时刻t的缓冲区容量Bt，当前时刻t= 0时，Bt= 0,当前时刻t彡1时，Bt =BH+Rg-Tbpp;Bt_i为上一时刻t-1的缓冲区容量，Rt_i为上一时刻t-1帧编码输出比特； 3) 计算当前时刻t的缓冲区误差Et，Et=Bt，缓冲区误差变化ECt=Et-Eg，Eg为上 一时刻的缓冲区误差；计算当前时刻t的缓冲区误差Et对应的误差区间[aE，bE]，缓冲区误 差变化ECt对应的误差变化区间[aK，bEJ;
其中，灵+ ，灵为当前时刻t的平滑输出比特率；P为平滑系数，取 值范围是〇至1 ; 0为先验的R-Q模型参数，取值范围为〇. 08至0. 10为上一时刻t-1 帧编码输出比特，为上一时刻t-1的平滑输出比特率； 4) 计算缓冲区误差Et的量化参数 <，将缓冲区误差变化ECt的量化参数
5) 将缓冲区误差量化参数< 进行边界绑定至模糊子集论域得到对应的元素e为： e= max{-6,min{E^+6\ \； 将缓冲区误差变化量化参数进行边界绑定至模糊子集论域得到对应的元素ec为：ec= max{-6,min S￡"C\+6^\； 6) 利用元素e和元素ec查询模糊控制查询表得到当前时刻t的调节量u;所述模糊控 制查询表的列表头对应误差E量化至模糊子集论域中的13个元素，行表头对应误差变化EC 量化至模糊子集论域中的13个元素，13X13个单元格对应13X13个控制量，模糊子集论域 S= {_6, _5, _4_3,~2,_1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}； 7) 计算真实控制量u%u#=[u?Ku]，Ku为量化因子，量化因子为编码输入量化参数变 化的最大变化量与调节量u的理论最大值的比值； 8) 利用真实控制量u%十算当前时刻t的编码输入量化参数值Qt，Qt=max{Qmin，min{ Hu*}};其中，Qmin为量化参数最小值，Q-为量化参数最大值，Qh为上一时刻t-1的 编码输入量化参数值。
2. 基于模糊逻辑码率控制的视频编码方法，特征在于，包括以下步骤： 1)初始化步骤： 1-1)编码初始化：设置视频图像编码标准、码率控制参数、数据封装格式； 1-2)模糊控制初始化：设置7级模糊变量、模糊子集论域S= {-6, -5, -4-3, -2, -1，0, + 1，+2, +3, +4, +5, +6}和隶属函数曲线，得到模糊控制查询表，模糊控制查询表的列表头对应 误差E量化至模糊子集论域中的13个元素，行表头对应误差变化EC量化至模糊子集论域 中的13个元素，13X13个单元格对应13X13个控制量； 2) 帧级码率控制步骤： 2-1)计算当前帧像素点目标比特值Tbpp; 2-2)更新当前时刻t的缓冲区容量Bt，当前时刻t= 0时，Bt= 0,当前时刻t多1时，Bt=B^+RH-Tbpp;Bt_i为上一时刻t-1的缓冲区容量，Rt_i为上一时刻t-1帧编码输出比 特； 2-3)计算当前时刻t的缓冲区误差Et，Et=Bt，缓冲区误差变化ECt=Et-Eg，Et_$ 上一时刻的缓冲区误差；计算当前时刻t的缓冲区误差Et对应的误差区间[aE，bE]，缓冲区 误差变化ECt对应的误差变化区间[aK，bEJ;
其中，瓦=广/?,l+ (l-p)j「泵为当前时刻t的平滑输出比特率；P为平滑系数，取 值范围是〇至1 ; 0为先验的R-Q模型参数，取值范围为〇. 08至0. 10为上一时刻t-1 帧编码输出比特，瓦i为上一时刻t-1的平滑输出比特率； 2-4)计算缓冲区误差Et的量化参数 <，将缓冲区误差变化ECt的量化参数五< :
2-5)将缓冲区误差量化参数<进行边界绑定至模糊子集论域得到对应的元素e为：e= max j-6,min JE^-\-6\ \； 将缓冲区误差变化量化参数进行边界绑定至模糊子集论域得到对应的元素ec为：ec= max j-6,min \； 2-6)利用元素e和元素ec查询模糊控制查询表得到当前时刻t的调节量u; 2-7)计算真实控制量u%u#=[u?Ku]，Ku为量化因子，量化因子为编码输入量化参数 变化的最大变化量与调节量u的理论最大值的比值； 2-8)利用真实控制量u%十算当前时刻t的编码输入量化参数值Qt，进入步骤3) ;Qt =max{Qmin，min{Qmax，Q^+u*}};其中，Qmin为量化参数最小值，Qmax为量化参数最大值，Qt_i为上 一时刻t-1的编码输入量化参数值； 3) 根据计算当前时刻t的编码输入量化参数值Qt对当前读取的一帧数据进行编码，编 码完成后进行数据封装，数据封装后的长度为当前时刻t的帧编码输出比特Rt，判断编码是 否完成，如是，则结束，否则，更新时间变量t=t+1，进行下一帧编码，返回步骤2)。
【专利摘要】本发明提供一种基于模糊逻辑的码率控制方法及视频编码方法。本发明通过对表征输出比特R与量化参数Q的指数关系特性的R-Q模型进行变形，从而动态地计算出缓冲区误差对应的误差区间与缓冲区误差变化对应的误差变化区间，为码率控制与模糊控制的结合提供了基础。本发明的有益效果是，提供统一接口，支持恒定/可变比特率控制，码率控制能力强。
【IPC分类】H04N21-234, H04N21-238, H04N19-70
【公开号】CN104702974
【申请号】CN201510053198
【发明人】周益民, 朱策, 罗敏珂, 钟敏
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月2日