一种分布式视频残差编码端码率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式视频编码领域，特别涉及一种分布式视频残差编码端码率控制 方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的快速发展，终端设备越来越多，越来越小型化、轻量化，人们对具 有视频采集功能的终端设备复杂度、能耗、差错控制等方面要求也越来越高，分布式视频编 码（DistributedVideoCoding,DVC)应运而生，它是一种基于Slepian-Wolf无损压缩理 论和Wyner-Ziv有损压缩理论的新型视频编码框架。每个视频帧在发端独立编码，在收端 联合译码。它不仅降低了发端的复杂度，还有较强的容错能力。DVC主要分为像素域编码和 变换域编码两种，由于变换域编码中的DCT变换利用了空域相关性进行压缩，因此它的率 失真性能（RateDistortion，!?)要优于像素域方案，同时也比像素域方案复杂。之后又出 现了像素域视频残差（ResidualVideo)编码方案，证明了它能达到变换域的率失真性能， 同时又降低了复杂度。除此之外，PRISM系统和DISCOVER是另外两种典型的DVC框架。
[0003] 码率控制是DVC研宄中的一大热点。分布式编码根据信源（WZ帧，记为X)和边信 息（SideInformation，记为Y)间的统计相关性来确定为X分配多大的码率。现有的码率控 制方式有两种：编码端码率控制（EncoderRatecontrol，ERC)和译码端码率控制（Decoder ratecontrol，DRC),前者通过估计X和Y间的统计相关性，计算条件j：商H(X|Y)来确定发送 X所需的码率。后者是通过建立反馈信道多次执行"请求并解码"过程而决定所需的码率。 这两种方法各有优点：ERC不需要反馈信道，收端只需一次解码，系统延迟小，实用性强；缺 点是估计的码率比较粗糙，存在低估和过估的情况，同时会增加编码端的复杂度。DRC的优 点是能以最优码率解码，缺点是依赖反馈信道，需要多次译码，系统的延迟大。但是ERC不 依赖反馈信道，能降低系统的延迟，实用性和实时性强，因此研宄它是非常有意义的。要实 现ERC需要解决两方面的问题：一是编码端边信息的获取，但无论是哪种获取方法，都会增 加编码端的复杂度。二是发送码率方案的制定，目前所有方案的发送码率都是在位平面级 别上进行估计，而一帧通常对应有十几个位平面，这样导致发送任何一帧都需要进行多次 码率估计，增加了编码端的复杂性和系统延时。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分布式视频残差编码端 码率控制方法。
[0005] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：
[0006] -种分布式视频残差编码端码率控制方法（ResidualEncoderRate Control,RERC)，包含以下顺序的步骤：
[0007]S1.视频序列按照GOP= 2划分为传统的WZ帧和KEY帧，假设视频帧1为WZ帧， 视频帧X2k+1SKEY帧，KEY帧采用传统的H. 264/AVCIntra编译码；
[0008] S2..利用与X2k相邻的两个KEY帧译码的结果X' ^和X' 2k+1，在发端本地译码器、 收端译码器中分别得到一个参考帧XM= (X'n+X'^)/2;
[0009] S3.在发端用原始的WZ帧和参考帧Xjf减得到残差R，将残差经过置乱、量化和 格雷编码然后送入LDPCA编码器，通过码率估计模块得到发送所需的码率；经过信道传输 后送入收端的LDPCA译码器；
[0010] S4.在收端通过运动补偿的方法得到X2k的预测信息Y2k，用它减去参考帧xjl到 收端残差帧的边信息R'，同样经过置乱、量化和格雷编码然后送入LDPCA译码器辅助解码 视频；
[0011] S5.在译码端，将LDPCA译码器输出的结果通过格雷译码，反置乱和图像重建得到 残差信息々，将A与参考帧相加，最后得到译码出来的帧图像。
[0012] 所述的分布式视频残差编码端码率控制方法，还包括以下步骤：当出现码率低估 时，部分编码分组会解码失败，对应在一帧当中会有部分像素不能恢复，这时通过边信息改 善模块进行进一步解码。
[0013] 所述的边信息改善模块，用已成功解码的相邻点去预测解码失败的点以此来提高 边信息的质量，提高解码的成功率，最终解码失败的点，则用边信息信息去替代。
[0014] 步骤S3、S4中，所述的置乱是通过伪随机码置乱模块对残差帧中的像素用伪随机 码进行置乱处理，具体为：将边信息Y看成是X通过一个虚拟信道的输出的结果；两者的关 系是N=Y-X，N是虚拟信道中的噪声，表示X和Y之间的差错；将差错均匀的分布在一帧中， 在帧级别上进行码率估计。在传统的分布式编码方法中，各个位平面上的N分布差别大，导 致各个位平面要分别估计发送码率而且估计出来的码率之间的差别大。如果能将差错均匀 的分布在一帧中，就能在帧级别上进行码率估计，从而减少码率估计的次数和系统延时。通 过对残差帧中的像素用伪随机码进行置乱处理就能达到这样的目的。
[0015] 步骤S3中，所述的码率估计模块在帧级别上进行码率估计，首先要估计RjPR'q 之间的相关性，设Nq=Rq-R'q，得出Nq的分布情况；其次，对R5和R'q进行n位格雷码 编码后，推导出两格雷码之间误码率（即汉明距离#6"与Nq之间的关系；由于系统是对视 频残差进行编码，已知视频残差服从laplace分布，它是一种在0附近取值很集中的分布。 而&和R'q是对视频残差采用"围绕〇的中心死区"量化方法后的结果，经过分析可知它们 在〇附近取值更集中，取值范围更小；当量化级别分别为2n(n= 2, 3)时，Rq、Nq之间具有近 似的关系。因此，在发端我们无需产生额外的边信息用来估计收发两端的相关性，直接用Rq 中的概率分布代替Nq中的概率分布：P(Nq=i) ~P(Rq=i) = (i出现的次数V(LXM)， LXM是一帧的大小；同时，根据格雷码的编码特点，推导匕"与Nq2间的关系用公式表示：
[0016]
[0017] 最终收端、发端的相关性用虚拟信道的错误转移概率P来表示，则P的计算公式 为：
[0018] ll
[0019] 将P代入求熵公式H(P) =-P log2p-(l-p)log2(l-p)，求出发送码率v为：
[0020]
[0021] 整帧数据的所有编码分组我们都按照这个估计的码率进行发送；
[0022] 其中Rq为残差R经置乱量化后的结果，R' 5为残差帧边信息R'经置乱量化后得 到的结果。
[0023] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0024] (1)在发端利用伪随机码对视频残差帧进行置乱处理，能在帧级别而不是在位平 面上进行码率估计，减少了一帧视频数据需要估计的码率次数。
[0025] (2)在发端我们不用额外的产生边信息用于计算收发两端的相关性，极大减小了 发端的复杂度，比现有所有ERC方案都简单。
[0026] (3)收端如果像素不能成功解码，边信息改善算法能够显著提高解码成功率，解决 码率低估的问题。
[0027] (4)通过将RERC与其它方案的RD性能相比较可知：在运动变化小的视频序列中， RERC能很好的工作，性能高于变换域ERC方案，甚至和目前最好的DRC方案，即DISCOVER方 案相当。在运动变化大的视频序列中，性能和变换域方案相当。
[0028] (5)本发明没有反馈请求通道，每一帧都采用单一的码率进行传送，因此降低了解 码延迟。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明所述的一种分布式视频残差编码端码率控制方法的实现框图；
[0030] 图2a为Foreman视频在QP= 37，n= 2时，和\的分布示意图；图2b为Foreman 视频在QP= 24,n= 3时，&和N^的分布示意图；图2c为Soccer视频在QP= 37,n= 2 时，心和N^的分布示意图；图2d为Soccer视频在QP= 24,n= 3时，R^和N^的分布示意 图；
[0031]图3为边信息改善模块的流程示意图；
[0032] 图4a为量化级别为2n(n= 2)时，对一帧视频进行伪随机码置乱前后P值的对 比图；图4b为量化级别为2n(n= 3)时，对一帧视频进行伪随机码置乱前后P值的对比 图；
[0033] 图5a为Soccer视频当QP= 27，n= 2时估计码率V'和最优码率v(即DRC的码 率）的比较图；图5b为Soccer视频当QP= 24,n= 3估计码率V'和最优码率v的比较 图；
[0034] 图6a为Soccer视频序列按照发端码率v进行首次解码成功率与采用边信息改善 模块后的解码成功率比较图；图6b为Foreman视频序列按照发端码率v进行首次解码成功 率与采用边信息改善模块后的解码成功率比较图；
[0035] 图7a是Hall视频RERC方案和其它方案率失真特征曲线对比图；图7b是 Coastguard视频RERC方案和其它方案率失真特征曲线对比图；图7c是Foreman视频RERC 方案和其它方案率失真特征曲线对比图；图7d是Soccer视频RERC方案和其它方案率失真 特征曲线对比图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0037] 一种分布式视频残差编码端码率控制方法，发端不需要产生额外边信息，能在帧 级别上而不是在位平面级别上进行码率估计的ERC方案，该方案结构最简单，系统延迟最 小，不需要反馈信道，且具有很高实用性。方案如下：一是利用伪随机码对残差帧中的像素 进行置乱，目的是在一帧内发端编码分组与其对应边信息编码分组之间的差错均匀化，这 样发端就能在帧级别上进行码率估计，然后按照这个码率发送整帧数据。二是发端不需要 产生额外的边信息，发端的视频残差帧能近似的表示收发两端信号之间的相关性。三是当 发端码率低估时，利用提出的边信息改善算法能显著提高解码成功率。
[0038] 如图1所示，该图是本发明方案对分布式视频残差编码端码率控制的具体实施方 式，整个视频序列按照GOP= 2划分成WZ帧和KEY帧，图中X2AWZ帧，X21;+1为KEY帧，其 中KEY帧采用H. 264/AVCIntra编译码，利用X21^后译码的结果X' 2k_JPX' 2k+1在发端和收 端各得到一个参考帧XM= (X' ^-X^k+i)/2。发端残差帧为R=X2k-XM，将R送入随机置乱 模块进行置乱，置乱模块（其他过程需要置乱时都按以下步骤进行）的具体实施方法是：
[0039] 步骤1 :用rand函数产生一个长度为LXM(-帧大小）的伪随机序列P，同时把一 帧图像也看成是长度为LXM的一维序列P'。
[0040] 步骤2 :P和P'对应位置上的元素组成元素对汜，P' ^，建立对应的关系。
[0041] 步骤3 :将元素对按照PjA小到大的顺序排序。
[0042] 步骤4 :然后从排序后的元素对中取出P'i将得到一个经过随机置乱，看似杂乱 无章的图像。
[0043] 为了能够提高信源和边信息之间的相关性我们对R量化后的&经过格雷编码后 送入LDPCA编码器并按照估计的码率v进行发送。由于视频残差服从laplace分布，此