基于梯度的自适应高性能视频编码码率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及图像通信领域中的视频编码码率控制问题，尤其是设及一种高性能视 频编码标准肥VC的帖间编码自适应码率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着技术的不断进步，视频分辨率逐渐提高，视频编码标准也在不断更新。经过 MPEG、JPEG W及H. 264/AVC等视频编码标准的发展与完善，新一代视频编码标准肥VC诞生。 虽然与比264/AVC相比，肥VC编码标准节约了约50%的编码码率，但是随着高清视频的出 现，节省传输数据量的问题逐渐进入人们视野。因此，如何在有限带宽下，实时传输编码码 流，尽可能降低时延，同时避免缓冲区数据溢出成为视频编码领域研究的热点。
[0003]目前已有的码率分配模型主要有S种，R-Q模型、R-P模型和R-A模型，由于R-Q 模型和R-P模型存在较多的缺点，肥VC采用的是最新的R-A模型。肥VC标准的码率控制 过程分为=层，GOP层，帖层和LCU层。码率分配的主要思想是根据复杂度进行目标比特分 配，目标比特影响编码参数更新，编码参数精确度直接决定实际编码比特精确度。目前学术 界关于如何使实际比特更加接近目标比特，缓冲区滞留数据量减少，同时使输出比特更加 平稳的优化算法已有很多，并大多数已经取得了良好的效果。
[0004]在肥VC码率控制算法的研究中，Zhongzhu Yang等在现有的R-A模型基础上提 出了一种低延时的基于缓冲区状态的码率控制算法，设置较小的缓冲区，利用缓冲区状态 进行码率控制，从而达到实际码率与目标码率尽量接近，同时避免缓冲区溢出的目的。Ling Tian等人提出了 一种基于梯度的帖内码率控制算法，通过建立帖内像素的平均梯度与编码 比特之间的对应关系达到码率控制的目的，另外还改善了量化参数QP的计算方式，提出一 种新的目标比特与QP之间的对应关系。在H. 264/AVC码率控制算法的研究中，化n Gu Lee 等人提出一种基于梯度的H. 264/AVC帖内码率控制算法，在标准的分层基础上增加了宏块 行层，利用宏块行梯度占帖总梯度的比例分配宏块行目标比特，然后利用每一个宏块的梯 度占当前宏块行总梯度的比例分配当前宏块的目标比特。此外，在帖层分配目标比特时还 使用了缓冲区状态反馈，达到更准确地分配实际比特的目的。
【发明内容】
[0005] 针对新一代视频压缩编码标准肥VC中的码率控制问题，本发明利用视频序列的 帖间相似性及缓冲区状态，提出了一种基于梯度的自适应高性能视频编码码率控制方法， 降低了缓冲区滞留数据量，降低了时延，提高了视频质量，在带宽一定的实时编码传输过程 中具有较好的应用前景。
[0006] 本发明的基本思想是利用梯度作为复杂度的度量方式，自适应地获取LCU的帖内 帖间梯度表示其复杂度，进行LCU层目标比特分配。同时，利用已编码帖累加的缓冲区滞留 数据量对帖层目标比特分配进行调节，达到实际比特与目标比特尽量准确的目的。
[0007] 本发明针对肥VC视频编码标准提供了一种基于梯度的自适应高性能视频编码码 率控制方法。主要包括缓冲区状态调节帖层目标比特W及LCU层自适应梯度选择。在帖层 码率控制过程中，通过已编码帖累加的缓冲区滞留数据量对当前帖目标比特进行调节；在 LCU层码率控制中，对LCU的复杂度表示方式进行改进，对I帖的LCU采用帖内梯度表示复 杂度，对非I帖的LCU自适应选择帖内帖间梯度的较小值表示复杂度。本发明利用缓冲区 状态调节帖层目标比特，并根据帖类型自适应地选择梯度表示复杂度，从而使实际码率更 加符合给定的目标码率，并使缓冲区滞留数据量明显减少，同时使实际比特趋于平稳，W充 分利用有限的带宽。具体主要包括W下过程步骤：
[0008] (1)根据配置文件设置的目标码率、帖率W及GOP大小得到GOP层目标比特和帖层 标准目标比特，并设置缓冲区大小；
[0009] (2)判断当前编码帖是否为第一帖，若为第一帖，帖层目标比特为标准目标比特加 缓冲区大小。若不是第一帖，帖层目标比特为经过缓冲区状态调整后的标准目标比特；
[0010] (3)遍历当前帖的每个LCU，求出其帖内梯度，判断当前帖是不是I帖，若是I帖， 则将帖内梯度累加得到帖层总梯度。若不是I帖，则遍历每个LCU，获取其帖内帖间自适应 梯度，将每个LCU的自适应梯度累加，得到帖层总梯度；
[00川 （4)根据当前LCU的梯度占当前帖总梯度的比例分配每个LCU的目标比特，并根据 LCU的尺寸得到每个LCU的模拟带宽；
[0012] (5)进入xCompressCU，对每个LCU进行编码，其编码实际比特与模拟带宽的差值 累加到缓冲区，得到已编码帖累加的缓冲区滞留数据，并在下一帖的帖层比特分配时进行 反馈调节，得到下一帖的目标比特。
[0013] 在本发明的上述技术方案中，所述帖层标准目标比特为配置文件设置的目标码率 除W帖率得到的每帖目标比特，未经缓冲区状态调整，而所述帖层目标比特是经缓冲区状 态调整后的帖层目标比特。
[0014] 在本发明的上述技术方案中，所述缓冲区大小为帖层标准目标比特的S分之一。
[0015] 在本发明的上述技术方案中，所述缓冲区状态调整帖层目标比特的具体方法为：
…
[0017] 其中，化aiVf表示每帖的标准目标比特，bufsize表示缓冲区大小，bu化sed表示 缓冲区滞留数据量。0为调整系数，经过实验统计，本发明的方法取最优值2。
[0018] 在本发明的上述技术方案中，所述帖间梯度为当前LCU每个像素点与参考帖相同 位置的像素点之间的亮度差值累加，具体求解公式为：
[0019] R(x,y) =If(x,y)-I,(x,y)似
[0021] 其中，If(x，y)表示当前位置像素亮度，If(x，y)表示参考帖同位置像素亮度。 j，k)即为帖间梯度。
[0022] 在本发明的上述技术方案中，所述非I帖的自适应梯度为帖内梯度与帖间梯度的 较小值表示当前LCU的复杂度。
[0023] 在本发明的上述技术方案中，所述LCU模拟带宽为根据当前LCU的尺寸占帖尺寸 的比例分配的LCU目标比特。
[0024] 根据本发明的上述方法可W编制执行上述基于梯度的自适应高性能视频编码码 率控制方法的肥VC视频编码器。
[00巧]本发明是基于W下思路分析而完成的：
[0026] 标准的肥VC码率控制算法主要分为两步：第一步是根据帖结构、纹理复杂度等参 数进行目标比特分配；第二步是根据目标比特调整编码器参数，从而影响实际比特分配，使 实际比特更加接近目标比特。由于目标比特分配是码率控制的首要一步，其准确程度直接 影响着后续编码的性能，因此，码率控制优化方法主要是通过改善目标比特分配的方法来 改善码率控制效果。
[0027] 肥VC目标码率分配方法分为S层：GOP层是码率控制的第一层，该层通过提前设 置的目标码率、序列帖率W及GOP的大小等参数设置一个GOP的目标比特。帖层目标比特 取决于当前帖在GOP中的位置，即当前帖在GOP中目标比特所占结构权重。LCU层目标比 特取决于当前LCU的复杂度在帖复杂度中所占权重。帖层目标比特影响LCU层目标比特， LCU层目标比特影响LCU层编码参数更新，从而影响LCU层实际编码比特，最终影响帖层实 际比特。因此，可W通过改善帖层和LCU层目标比特分配方式来改善码率控制性能。
[0028] 码率控制效果的主要参数之一是实际编码比特与固定带宽之间的差值，即缓冲区 滞留数据量。缓冲区滞留数据量少而且平稳，表示在固定带宽实时传输情况下的延时低，反 之亦然。为了优化帖层目标比特的分配，本发明的方法采用了已编码帖缓冲区状态反馈机 审IJ。通过当前缓冲区状态来调整当前帖的目标比特，使当前帖实际编码比特更加精确，同时 使该帖累加到缓冲区的数据对缓冲区滞留数据量有所调整。
[0029] 帖层码率控制的效果由LCU层比特分配效果直接决定。在标准的肥VC码率控制 方法中，LCU层目标比特分配采用复杂度权重的方式，其复杂度用MAD表示。常用的复杂度 表示方式还有SATD、Sobel算子等，而梯度表示复杂度的方式因为计算比较简单而被广泛 应用。因此，通过改善LCU层梯度复杂度的计算方式使每个LCU实际编码比特尽量准确也 是本发明方法的一个重要特点。由于视频序列的帖间相似性，本发明方法将梯度的计算扩 展到了帖间：对于I帖，直接采用帖内梯度表示复杂度，对于非I帖，获取帖内梯度和帖间梯 度，采用二者较小值表示复杂度。
[0030] 与标准的肥V