一种时域依赖的码率控制比特分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像处理技术领域的方法，具体是一种时域依赖的码率控制比特 分配方法。
【背景技术】
[0002] 视频压缩给今天的人们带来了各种生活、工作、娱乐上的便利，比如可视电话、视 频会议、高清电视等等。视频压缩则依赖于视频编码技术在过去几十年的长足发展，从早期 的H. 261到今天的H. 264和HEVC，视频编码技术通过一代一代的演进，大致确立了混合编码 框架的编码结构。各种模块技术的演进则极大地提升了视频编码的性能，最新的HEVC已经 实现了相比上一代编码器H. 264提升50%性能的要求。
[0003] 在所有的视频编码技术中，码率控制扮演着举足轻重的角色，特别是在实时通信 系统中，因为其有限的带宽，精确的码率控制显得尤为重要。具体来说，码率控制就是在一 个给定的码率下，尽可能地提升视频的编码质量。对绝大多数码率控制方案，通常的做法就 是给不同的帧和编码单元分配合适的目标比特。比如MPEG-2采用了 TM5码率控制算法， MEPG-4 采用了 VM8 算法，H.264/MPEG-4Advanced Video Coding(AVC)采用了 R-Q 算法，最 新的HEVC则采用了 R-Iambda算法。
[0004] 在这些传统的算法中，在编码单元层的码率控制均是根据其内容复杂度来确定 的。尽管这种方法能够在一定程度上反映出其最终的编码比特，但是其忽略了编码单元在 时域上的相关性，根据其目标比特设定的编码参数仅仅对当前编码单元有利，而没有考虑 到对其时域相关的编码单元的影响。一些复杂度较低但时域相关性很强的编码单元有可能 会被一种低质量的方式编码，导致后续参考该编码单元的所有编码单元的编码质量遭受严 重的损失。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有视频编码技术的缺陷，提供一种时域依赖的码率控制比特分配方 法，该方法通过探测当前编码单元与后续帧的时域相关性，并以此指导当前编码单元的目 标比特分配，从而获得更好的编码性能。
[0006] 为实现以上目的，本发明所述的时域依赖的码率控制比特分配方法包括如下步 骤：
[0007] ①预先读取当前编码帧的后续多帧，构造时域传播链；
[0008] ②根据预设量化参数和前一帧各个编码单元的失真情况，获取时域传播链上各帧 的运动补偿预测误差估计和失真估计等信息；
[0009] ③根据时域传播链的各帧信息，获取当前编码帧各个编码单元的时域传播因子；
[0010] ④根据时域传播因子和编码单元复杂度分配各个编码单元的目标比特；
[0011] ⑤根据目标比特设定合适的拉格朗日乘子，实现码率控制功能。
[0012] 优选地，所述④中，各个编码单元的目标比特不仅由编码单元自身的内容复杂度 确定，还由编码单元在时域上的传播因子确定；
[0013] 设表示由编码单元内容复杂度确定的目标比特，：4"/表示由时域权重确定的 目标比特，则编码单元最终的目标比特T ctu为
[0014]
[0015] 其中μ是权重因子，表明时域权重比特分配方法应在整个比特分配中占多大的 比重。
[0016] 本发明设计的时域依赖的码率控制比特分配方法，在给某个编码单元分配目标比 特的时候，将其时域相关的编码单元均考虑进来，具体地，如果当前编码单元被多次参考， 则认为其时域权重比较高，给其分配相对较多的比特，使其以一种较高质量的方式编码，这 样就能够保证所有与其时域相关的编码单元的质量。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0018] 本发明考虑了后续多帧的时域相关性对当前编码帧的指导作用，因而能够获取整 个编码序列的全局最优。
【附图说明】
[0019] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0020] 图1是本发明的时域依赖度的码率控制比特分配方法的流程图；
[0021 ] 图2是时域传播链构造的示意图；
[0022] 图3是本发明实施例中BQSquare第346帧在两种方法下编码的结果；
[0023] 图4是本发明实施例中RaceHorses第132帧在两种方法下的编码结果。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0025] 此处把本发明应用到最新的HEVC编码框架的码率控制方法中。具体操作流程如 图1所示。其中第一步到第三步是通过时域传播链来计算各个编码单元的时域因子，第四 步到第五步是根据时域因子给每个编码单元分配合适的比特，实现时域依赖的码率控制功 能。下面先介绍时域因子的计算方式，然后再此基础上详细介绍时域依赖的码率控制的优 化。
[0026] 1.时域传播因子的计算
[0027] 源失真时域传播链将率失真优化问题改写为如下形式
[0028]
(1)
[0029] 其中〇1表示第i个编码单元的编码参数，D ,表示第j个编码单元的失真，N表示 时域传播链的长度，Ag是对N个编码单元全局最优的拉格朗日乘子。因为当前编码单元的 失真有可能会传播到后续帧里面的几个时域相关的编码单元，上式将所有时域相关的编码 单元的失真考虑进来，是一种比较全面的率失真优化方案，最终的选择是对整个序列的全 局最优。
[0030] 本发明通过构造一个时域传播链来解决上述率失真优化问题。图2展示了一个长 度为3的时域传播链，其中Frame 1表示当前编码帧，Frame 2和Frame 3表示当前编码帧 在时间上的后续帧。对当前帧里面的每一个编码单元，如CU1，通过前向搜索，可以找到其在 下一帧里面最匹配的编码单元⑶ 2，如果CU2跨越几个编码单元，取其覆盖面积最大的编码 单元的运动向量，然后继续向前搜索，直到传播链的最后一帧，这样就可以构造出一条时域 传播链。
[0031] 假定编码单元失真D1+1与运动补偿预测误差Atr之间存在如下关系
[0032]
<2)
[0033] 其中R1+1表示编码单元i+Ι的编码比特，b是一个跟源分布相关的常数，Α?Γ可 以近似地表示为
[0034]
(3)
[0035] 其中F1+1是编码单元i+Ι的像素值，爲是编码单元i的重建像素值， 在原始帧上使用前向搜索后的源失真，α取经验值0.94。将其代入（2) 式，可以得到
[0036] (4)
[0037] 均和当前编码单元的编码参数(^相 互独立。通过反复迭代，就可以估计传播链上所有编码单元的失真。第k个编码单元的失 真估计可以表示为
[0038] Dk= β k · β k !.....β i+i · DjCk (5)
[0039] 从而（I)式就可以重写为
[0040]
(6)
[0041] 其中时域传播因子被定义为
[0042]
0)
[0043] 它衡量了当前编码单元有多少信息量将被传播到其时域相关的后续帧。从（2) (4) 式可知
[0044]
(8)
[0045] 根据⑶式，AT可以通过DjP ATp估计得到，D1+1可以通过D1T和量化步长 Q估计得到：
[0046]
(9)
[0047] 通过假定运动补偿预测误差的DCT系数服从拉普拉斯分布，可以证明，对绝大多 数视频，F( Θ )有一个稳定的分布，可以制成如表1所示的查找表。该查找表是以〇. 5为步 长制定的，若当Θ处于两个值的区间内部时，取其最近的Θ对应的F(0)值即可。
[0048] 表1F(0)查找表
[0049]<