一种基于主观视频质量的h.264码率控制方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于主观视频质量的H.264码率控制方法，一种结构相似性预测模型，通过提出的线性预测模型预测得到当前帧的结构相似性，在此基础上定义了一个表征帧主观复杂度的结构相似性因子来分配当前帧的目标比特数。该方法在未增加计算复杂度和保证码率控制精度的基础上，提高了编码视频图像的结构相似性，更加符合人的主观感受，可用于实时编码环境。本发明的方法包括如下步骤：A.计算第i个GOP层未编码帧的剩余比特数；B.通过线性预测模型计算当前帧的结构相似性；C.计算当前帧的结构相似性因子FC；D.根据结构相似性因子分配当前帧的目标比特数；E.计算量化参数；F.率失真优化。
【专利说明】一种基于主观视频质量的H.264码率控制方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及视频编码【技术领域】，具体涉及一种基于主观视频质量的H.264帧层码率控制方法。
[0002]【背景技术】:
在过去十多年中，视频通信技术得到了飞速发展和广泛的应用，并制定了一系列视频编码标准。现有的国际视频编码标准主要包括国际标准化组织(ISO)推出的MPEG-1，MPEG-2, MPEG-4(参见文献:IS0/IEC 13818-2.1nformation technology-Genericcoding of moving pictures and associated audio Part 2:Video[S].1996 ；IS0/IEC14496-2.1nformation technology-Generic coding of audio-visual objectsPart2:Visual[S].1998.)，以及国际电信联盟标准化部(ITU-T)推出的H.26x系列，如H.261 (参见文献:ITU-T.Draft ITU-T Recommendation H.261.Video codec for audiovisual services, at px64kbps [S], 1993.), H.263 (参见文献:ITU_T.Draft ITU-TRecommendationH.263.Video coding for low bit rate communication[S].1996.)等。2003年，由ISO与ITU-T合作成立的联合视频工作组JVT推出了最新的视频标准 H.264(参见文献:IS0/IEC11496-10.1TU-T Recommendation H.264 Advanced videocoding[S].2002.)。H.264吸收了以往各种编码标准方案的优点，在预测编码、变换量化和容错编码等方面进行了较大的改进。目前H.264正逐渐取代原有视频压缩标准在各应用领域占据主导地位。
[0003]码率控制是H.264视频压缩编码过程中的关键环节，作用于整个视频编码过程，其有效性不仅影响码流的码率稳定，还将影响到整个视频序列的图象质量。码率控制的主要任务是采集缓冲区状态和 图像活动性等信息，来给每幅图像分配一定的比特数，使得输出码率能控制在给定的标准上，并使图像失真最小。
[0004]在H.264的码率控制方法中，由于同时在码率控制和率失真优化环节使用了量化参数，导致了“蛋鸡悼论” [Ma S.ff, Gao W and Lu Y.Rate control on JVTstandard, Document JVT-D030 [S] ? 2002]。为了提高H.264码率控制的性能，很多学者做了大量的研究，文献[Shin I H，Lee Y L, Park H ff.Rate control using linearrate-P model for H.264[J].Signal Process Image Com- munication, 2004,19:341-352.]在P域模型的基础上作了改进，应用在H.264的码率控制中，文献[MaSiwei, Gao Wen, Lu Yan.Rate-distortion analysis for H.264/AVC video codingand its application to rate control[J].1EEE Trans on Circuit Syst for VideoTechnol, 2005, 15 (12): 1533-1544.]提出了码率与量化步长与量化步长间的关系模型及相应的码率控制方法，文献[Ma S.ff, Gao W，Wu F and Lu Y.Rate control for JVTvideo coding scheme with HRD considerations.Proceeding of IEEE InternationalConference on Image and Processing, 2003, vol.3, pp: 793-796.]将 HRD 一致性约束、平均绝对误差比综合考虑，提出了一种新的码率控制方法。Li Zhengguo提出的JVT-G012方法利用线性MAD模型来预测当前基本单元的MAD值，这一方法可以获得比较好的编码效果，引起了广泛的关注[Li Zhengguo, Gao Wen, Pan Feng, etal.Adaptive rate control for H.264[J].Journal of Visual Communication andImage Representation, 2006，17 (2): 376-406.]。JVT-G012 方法虽然较好地解决了蛋鸡悖论问题，然而仍然存在很多问题。比如方法中没有明确的讨论帧内的码率-量化(R-Q)模型，因此文献[X.Jing, L.P.Chau, and ff.-C Siu, "Frame complexity-basedrate-quantization model for H.264/AVC intraframe rate control, 〃IEEE SignalProcessing Letters, vol.15, pp.373-376，2008.]提出 了一种自适应的巾贞内 R-Q 模型，这种方法通过考虑基于灰度的帧复杂度，自适应的更新模型参数，来更精确地选择帧内编码帧的量化参数。又比如在基于传统变换的视频编码系统中彩色视频信号的率失真(R-D)参数分别为亮度和色度分量模型化，所以文献[Z.Z.Chen and K.N.Ngan，“Towardsrate-distortion tradeoff in real-time color video coding，，，IEEE Trans.CircuitsSyst.Video Technol.，2007，vol.17, n0.2, pp.158-167]提出为彩色视频编码建立独立的R-D模型。
[0005]基于帧复杂度的H.264码率控制方法(ZL201010235061.8)中公开了一种基于帧复杂度的H.264码率控制方法。该方法包括以下步骤:A、根据帧复杂度确定当前编码帧的目标比特数；B、计算量化参数并进行率失真优化；其中，帧复杂度是通过一个复杂度系数来衡量，该复杂度系数定义为图像灰度直方图的平均差值和图像亮度分量的平均绝对误差比率的加权之和，在该复杂度系数基础上，通过经验公式对现有的目标比特公式进行了修正。一种H.264码率控制方法(ZL201010239407.1)提供一种结合图像复杂度并对量化参数进行调整的帧层码率控制方法，提高视频输出序列的平均峰值信噪比，并能够减小视频图像巾贞间质量波动，从而提闻视频图像质量。
[0006]上述方法主要从自然图像内容的复杂性分配码率，存在着一些缺点:根据图像内容的客观特性分配码率，没有根据人眼的主观特性分配码率，得到的图像不一定符合人眼的主观特性。
[0007]Z.Wang, A.C.Bovik 等人提出结构相似性(SSIM, Structural Similarity)作为一种衡量两幅图像相似度的指标。由于人类视觉很容易从图像中抽取出结构信息，因此计算两幅图像的SSIM就可以用来评价图像主观质量的好坏。考虑SSIM，许多学者提出了新的H.264编码方法。有人将SSIM用于H.264视频编码的率失真优化(崔子冠，朱秀昌.基于结构相似的札264主观率失真性能改进机制.电子与信息学报，2012，34(2): 433-439)。一种基于a 264视频编码标准的宏块层码率控制方法(申请号201310044341.4)给出一种结合SSIM和MAD的宏块层码率控制，取得了一定的效果。一种基于结构相似性系数的H.264帧层码率控制方法(申请号201310164640.1)给出一种用结构相似性系数进行帧层码率控制，结构相似性系数根据前两帧的SSIM计算得出，未考虑当前帧的SSIM。
[0008]
【发明内容】
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本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种结构相似性预测模型，通过提出的线性预测模型预测得到当前帧的结构相似性，在此基础上定义了一个表征帧主观复杂度的结构相似性因子来分配当前帧的目标比特数。该方法在未增加计算复杂度和保证码率控制精度的基础上，提高了编码视频图像的结构相似性，更加符合人的主观感受，可用于实时编码环境。[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明的方法包括如下步骤:
A、计算第i个GOP层未编码帧的剩余比特数；
B、通过线性预测模型计算当前帧的结构相似性；
C、计算当前帧的结构相似性因子FC；
D、根据结构相似性因子分配当前帧的目标比特数；
E、计算量化参数；
F、率失真优化；
其特征在于，
步骤B中当前帧的结构相似性通过下式计算:
【权利要求】
1.一种基于主观视频质量的a 264帧层码率控制方法，该方法包括如下步骤: A、计算第i个GOP层未编码帧的剩余比特数； B、通过线性预测模型计算当前帧的结构相似性； C、计算当前帧的结构相似性因子FC； D、根据结构相似性因子分配当前帧的目标比特数； E、计算量化参数； F、率失真优化； 其特征在于， 步骤B中当前帧的结构相似性通过下式的线性预测模型计算:
【文档编号】H04N19/567GK103618906SQ201310660447
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】陈晓, 顾冬珏 申请人:南京信息工程大学