帧图像的实际比特数的均衡，其通过在每帧编码开始前根据缓冲区 容量反馈判断是否跳帧或添加冗余来实现。
[0039] 具体实现过程是通过计算上一帧实际编码比特数与目标比特数的差值ΔΒ :若 A B大于预设阈值1\，则跳帧，使Δ B = Δ Δ B小于预设阈值T 2，则添加冗余包，冗 余包的大小为512Byte，使ΔΒ= ΔΒ+512;其中，ΔΒ的初始值为0，BF为每帧的目标比特 数。
[0040] 在每一组1080P高清视频图像编码之前计算每一组1080P高清视频图像的目标比 特数，具体实现方法为：
[0041] 为每一组1080p高清视频图像分配一定的比特数Δ B S+GNBF;其中，Δ B 5为 前一组1080p高清视频图像编码结束后预分配比特数与实际编码比特数的差值，其初始值 为〇 ;GN为一组1080p高清视频图像中的帧数。
[0042] 由于I帧是后继P帧的参考帧，其质量直接影响后续帧。所以为I帧分配较多的 比特数，而对P帧则分配相对较少的比特数。目标比特数的预分配可细化为两步：计算目标 缓冲水平和分配目标比特。第一步考虑缓冲容量限制；第二步考虑目标码率、帧率以及每 一组1080p高清视频中剩余可分配的比特等限制。这样可预防缓冲区出现上溢或下溢的问 题。在帧层对QP进行粗调，根据缓冲区的充盈度以及AB确定一个全帧初始的QP值。
[0043] 根据帧编码类型I帧或P帧计算帧层的码率控参数QP的具体实现方法为：
[0044] 若当前帧为当前1080p高清视频图像中的第1个I帧，且当前1080p高清视频图 像为超高清视频数据中的第1个1080p高清视频图像时，QP设置为30。
[0045] 若当前帧为当前1080p高清视频图像中的第1个I帧，且当前1080p高清视频图 像的序号大于等于2时，则QP根据Δ 正负以及已编码完的上一个1080p高清视频图 像的平均码率控制参数
；确定：
[0047] 其中，为保证图像质量的连续性，a的减小量和增大量不宜过大，实际使用中a的 取值范围可设为[-3, +3]。
[0048] 若当前帧为第1个I帧后的第1个P帧，则QP根据P帧前的第1个I帧的QP^ 定，计算公式为：
[0050] 其中，t的取值范围为[-3, +3]，ΔΒ_和ΔΒ_为期望控制的缓冲区可容忍的码 率波动的最大值和最小值；
[0051] 若当前帧为除第1个Ρ帧外的其余Ρ帧，其QP由前一 Ρ帧的skip宏块数目确定：
[0052]
[0053] 其中，前一个P帧的初始码率控制参数，QP skipS由前一 P帧skip宏块S N预 测得到的量化参数，其计算公式为：
[0055] 其中，符号
'表示向上取整操作，GN为一个1080p高清视频图像，M NS-帧图 像的宏块数目。
[0056] 每帧图像中的宏块层的码率控制方式为：
[0057] 对于I帧，其宏块预分配比特数BMl由宏块数心和当前帧的目标比特数心决定：B Ml =Bf/Mn〇
[0058] 对于P帧，为提高码率控制算法的编码性能，本发明在P帧宏块层根据图像内容复 杂度分配目标比特数，此处使用预测残差的SAD值来表征宏块的复杂度。
[0059] 先计算复杂度因子
，其中3六01表示宏块i的复杂度，其值 为对应当前宏块的前一帧当前位置宏块的原始值与最佳预测值的SAD值，j表示当前宏块i 所在帧的上一帧中的宏块。
[0060] 根据复杂度因子c和当前帧的目标比特BF确定当前宏块i的预分配目标比特数 Βμ? - cB F〇
[0061] 对于宏块层的QP调整，则要结合缓冲区的充盈度以及△ B来确定量化值调节因子 q，其采用以下公式获取：
[0063] 其中，ΣΒ^为已编码完宏块的实际比特数之和，ΣΒΜΙ为已编码完宏块的目标比特 之和。
[0064] 根据量化值调节因子调整宏块量化值，调节方式可利用非线性控制理论中的 bang-bang最优控制原理，具体方法如下：第i个宏块的量化值QPMiS :
[0065] QPMi = QP F+ Δ QP (q)
[0066] 其中，QPF为宏块所在帧的全帧初始QP，Λ QP(q)为利用q值确定此量化调整值 A QP的函数，其曲线方程为：
[0068] 综上所述，该超高清视频编码模块通过超高清低延时码率控制方法综合了基于图 像复杂度分析的前向码率控制技术和基于缓冲区容量反馈的后向码率控制技术，在分层编 码过程中进行分层的精细化码率控制（宏块层、帧层和图像组层），大大提高了编码速度， 降低了系统时延；同时使码率波动最小化，减少跳帧次数，同时较好地保持了图像质量。
【主权项】
1. 超高清低延时视频编码系统，其特征在于，包括： 至少一个高清视频采集模块，用于采集超高清视频数据； 至少一个超高清视频编码模块，与所述高清视频采集模块连接，用于接收超高清视频 数据，将所述超高清视频数据拆分为多组IOSOp高清视频图像，并行计算每一组IOSOp高清 视频图像中每帧图像的实际比特数和每一组IOSOp高清视频图像的目标比特数以形成超 高清的视频码流数据； 高速通讯模块，与所述超高清视频编码模块连接，用于将编码后的超高清视频码流数 据传输至解码端或远端存储设备；以及 电源模块，分别与所述高清视频采集模块、所述超高清视频编码模块和所述高速通讯 模块连接。2. 根据权利要求1所述的超高清低延时视频编码系统，其特征在于，所述超高清视频 编码模块包括用于将所述超高清视频数据拆分为多组IOSOp高清视频图像的视频编解码 FPGA模块和并行计算每帧图像的实际比特数和每一组IOSOp高清视频图像的目标比特数 以形成超高清的视频码流数据的多DSP阵列模块。3. 根据权利要求1或2所述的超高清低延时视频编码系统，其特征在于，还包括： 超高清视频解码模块，与所述高速通讯模块连接，用于接收所述解码端发送的视频码 流数据，根据视频码流数据中携带的目标地址对多路IOSOp高清视频图像进行解码，并将 解码后的子视频数据进行拼接形成超高清视频。4. 根据权利要求3所述的超高清低延时视频编码系统，其特征在于，还包括与所述超 高清视频解码模块连接，用于对解码后的超高清视频进行显示的显示模块。5. 根据权利要求1、2或4所述的超高清低延时视频编码系统，其特征在于，还包括 CPCI或VPX高速通讯背板，用于为超高清视频采集模块、显示模块、高速通讯模块、超高清 视频编码模块和超高清视频解码模块之间提供高速通信通道。6. 超高清低延时码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 计算每路1080p尚清视频中每帧图像的目标比特数：BF=B/R;其中，BF为每帧的目标 比特数，B为目标码率，R为帧率； 根据所述目标比特数计算每帧图像的实际比特数：计算上一帧实际编码比特数与目标 比特数的差值AB:若AB大于预设阈值T1,则跳帧，使AB=AAB小于预设阈值 T2,则添加冗余包，冗余包的大小为512Byte，使AB=AB+512 ;其中，AB的初始值为0，Bf 为每帧的目标比特数； 计算每一组IOSOp高清视频图像的目标比特数：为每一组IOSOp高清视频图像分配一 定的比特数BpBti=AB JGnBf;其中，AB(；为前一组1080P高清视频图像编码结束后预分配 比特数与实际编码比特数的差值，其初始值为〇;GN为一组IOSOp高清视频图像中的帧数。7. 根据权利要求6所述的超高清低延时码率控制方法，其特征在于，还包括：根据帧编 码类型I帧或P帧计算帧层的码率控参数QP: 若当前帧为当前1080p高清视频图像中的第1个I帧，且当前1080p高清视频图像为 超高清视频数据中的第1个1080p高清视频图像时，QP设置为30。 若当前帧为当前1080p高清视频图像中的第1个I帧，且当前1080p高清视频图像的 序号大于等于2时，则QP根据A 正负以及已编码完的上一个IOSOp高清视频图像的 平均码率控制参数确定：其中，a的取值范围可设为[-3, +3]; 若当前帧为第1个I帧后的第1个P帧，则QP根据P帧前的第1个I帧的QP1确定， 计算公式为：其中，t的取值范围为[-3, +3]，ABniax和A8_为期望控制的缓冲区可容忍的码率波 动的最大值和最小值； 若当前帧为除第1个P帧外的其余P帧，其QP由前一P帧的skip宏块数目确定：其中，Qh为前一个P帧的初始码率控制参数，QPskipS由前一P帧skip宏块SN预测得 到的量化参数，其计算公式为：其中，符号"I表示向上取整操作，Mn为一帧图像的宏块数目。
【专利摘要】本发明公开了超高清低延时视频编码系统及超高清低延时码率控制方法，该超高清低延时视频编码系统包括至少一个高清视频采集模块，用于采集超高清视频数据；至少一个超高清视频编码模块，与所述高清视频采集模块连接，用于接收超高清视频数据，将所述超高清视频数据拆分为多组1080p高清视频图像，并行计算每帧图像的实际比特数和每一组1080p高清视频图像的目标比特数以形成超高清的视频码流数据；高速通讯模块，与所述超高清视频编码模块连接，用于将编码后的超高清视频码流数据传输至解码端或远端存储设备；以及电源模块，分别与所述高清视频采集模块、所述超高清视频编码模块和所述高速通讯模块连接。
【IPC分类】H04N19/176, H04N19/436, H04N7/18, H04N19/146
【公开号】CN105227955
【申请号】CN201510626162
【发明人】李非桃
【申请人】成都金本华电子有限公司
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月28日