专利名称：一种基于结构相似性系数的h．264帧层码率控制方法
技术领域：
:本发明属及视频编码技术领域，涉及一种基于结构相似性的H.264帧层码率控制方法。
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/IEC13818_2.1nformation technology-Genericcoding of moving pictures and associated audio Part2:Video [S].1996 ;ISO/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.264Advanced videocoding[S].2002.)。Η.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。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。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“蛋鸡悖论” [Ma S.W，Gao W and Lu Y.Rate controlon JVT standard, 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.Ratecontrol using I inear rate-P model for H.264[J].Signal Process ImageCom-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[Ma Siwei, Gao Wen, Lu Yan.Rate-distortion analysis for H.264/AVC video coding and its application to rate control[J].1EEE Trans on CircuitSyst for Video Technol, 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.Ratecontrol for JVT video coding scheme with HRD considerations.Proceeding ofIEEE International Conference on Image and Processing, 2003, vol.3, pp:793-796.]将HRD—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。LiZhengguo提出的JVT-GO12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, PanFeng, et al.Adaptive rate control for Η.264[J].Journal of Visual Communicationand Image R印resentation, 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中贞的量化参数。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[Ζ.Z.Chen and K.N.Ngan,“Towards rate-distortiontradeoff in real-time color video coding，，，IEEE Trans.Circuits Syst.VideoTechnol.，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。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(PSNR)，并能够减小视频图像帧间质量波动，从而提高视频图像质量。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。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SSM，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H.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H.264视频编码标准的宏块层码率控制方法(申请号201310044341.4)给出来一种结合SSIM和MAD的宏块层码率控制，取得了一定的效果
发明内容
:本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用结构相似性理论对H.264的帧层的码率进行分配的新方法，更合理的分配帧层比特数，该方法能够使生成码率与目标码率相近的同时，提高视频输出序列的平均SSIM值。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、计算当前帧结构相似性系数SSIMR ；C、根据结构相似性系数分配当前帧的目标比特数；D、计算量化参数；E、率失真优化；其中步骤B中，定义编码帧的结构相似性系数，根据结构相似性系数确定该帧的目标比特数。结构相似性系数SSIMR定义如下:
权利要求
1.一种基于结构相似性系数的H.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层未编码巾贞的剩余比特数； B、计算当前帧结构相似性系数SSIMR； C、根据结构相似性系数分配当前帧的目标比特数； D、计算量化参数； E、率失真优化； 其特征在于， 步骤B中，结构相似性系数SSIMR通过下式计算:
全文摘要
本发明涉及一种基于结构相似性系数的H.264帧层码率控制方法，利用结构相似性理论对H.264的帧层的码率进行分配。包括如下步骤A、计算剩余帧的目标比特数；B、计算结构相似性系数；C、根据结构相似性系数确定当前帧的目标比特数；D、计算量化参数；E、率失真优化。其特征在于，定义了结构相似性系数并在此基础上确定帧的目标比特数。本发明不但能更为准确地控制码率，而且提高视频输出序列的结构相似性，从而得到更好的主观视频质量。
文档编号H04N7/26GK103237221SQ201310164640
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月7日 优先权日2013年5月7日
发明者陈晓, 顾冬珏 申请人:南京信息工程大学