一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可伸缩视频编码的码率控制方法。
【背景技术】
[0002] SVC标准是以H. 264/AVC视频编解码标准为基础，由国际电联电信标准化部门 (ITU-T)视频编码专家组（VCEG)和国际标准化组织（ISO)动态图像专家组（MPEG)组成的 联合视频专家组（JVT)共同制定的国际可伸缩视频编码标准。在保持高效率压缩的同时， SVC编码器产生的码流可实现在时间（帧率）、空间（分辨率）和视频质量（信噪比）上的 可伸缩，即通过一次编码产生的码流可以解码出不同帧率、分辨率和质量等级的视频。在给 定传输带宽或存储空间的条件下，码率控制算法利用编码工具对编码比特进行有效地调配 和使用，从而获得更好的重建视频质量。码率控制算法能够保证输出的码率能够符合传输 带宽的要求，防止缓冲器上溢和下溢并且充分利用带宽资源。虽然对码率控制算法已有了 较广泛的研宄，但是基本上都是针对不可伸缩视频编码标准进行的。现有针对可伸缩视频 编码的码率控制技术存在的主要问题有：
[0003] (1)现有的率失真（Rate-Distortion，RD)关系模型不能准确描述SVC标准的率失 真关系。SVC标准继承了 H. 264/AVC标准所有先进的编码工具，同时采用了多层编码框架和 新的层间预测技术，使得现有的率失真模型不能准确地描述其率失真关系。例如，新的编码 技术改变了用于编码图像纹理的比特开销和用于编码非纹理信息的比特开销之间的关系， 从而使率失真模型也随之发生变化。
[0004] (2)现有的率失真模型未考虑基本层和增强层间的相互影响。SVC编码标准采用 多层编码框架，这使主要应用于单层编码框架的传统码率控制技术不能有效地对SVC编码 器进行码率控制。例如，由于SVC所采用的新的层间预测技术，在编码增强层时，不能简单 地将传统的码率控制技术直接应用于增强层，还应该同时考虑基本层和增强层间的相互影 响；SVC标准继承了 H. 265/SVC标准的灵活的块编码方式，这使精确地控制SVC编码器输出 码率的难度进一步增加。与传统的单层编码标准不同，SVC标准的编码效率同时受到基本 层和增强层编码效率的影响。基本层和增强层的编码效率也是互相影响的。因此，需要为 SVC标准重新建立基本层和增强层联合的率失真模型。
[0005] (3)现有MD预测的误差率高。现有的码率控制算法中，MD预测在二项式率失真 模型中起到重要的作用，因为MD预测会影响到量化参数（QP)的选择。目前，MD预测采 用的是线性预测模型，该模型利用MD值在时域上的相关性。当视频中出现剧烈的运动或 者场景变换时，线性MD预测模型性能较差，而且总是存在预测上的延迟，导致MD预测模 型的预测误差率高。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有码率控制技术中率失真关系模型不能准确描述SVC标准 的率失真关系、未考虑基本层和增强层间的相互影响以及现有MD预测模型的预测误差率 高的问题，而提出了一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法。
[0007] 上述发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 步骤一、初始化；若当前编码单元为第1帧中的第1个编码单元时，从编码配置文 件中读取量化参数的初始值InitialQP，并将InitialQP分别赋值给层间预测的量化参数 Qpint@的初始值和层内预测的量化参数Qp 的初始值；
[0009] 步骤二、对视频序列以宏块为编码单元进行可伸缩编码，在编码过程中使用步骤 一中设置的量化参数或步骤九中设置的量化参数，编码完成后存储编码结果；
[0010] 步骤三、根据步骤二中得到的编码结果，对宏块的MD预测模型的系数进行更新；
[0011] 步骤四、将步骤三中更新后的模型系数带入宏块的MD预测模型，利用新的宏块 的MD预测模型对下一宏块的MD值进行预测，得到宏块的MD预测值MD el;
[0012] 步骤五、根据在步骤二中获得的编码结果，对率失真模型系数进行更新，得到更新 后的率失真模型系数ZTerly、Zferly、广aly和Zf trely;
[0013] 步骤六、计算目标编码比特数Rtxt;
[0014] 根据标准测试软件JSVM中默认的编码比特数分配方法，计算下一宏块的目标编 码比特数R txt;
[0015] 步骤七、利用步骤四中得到的宏块的MD预测值MDel、步骤五中得到更新后的率 失真模型系数X广―、Zf eri' ZftralIP^traly和步骤六中得到的目标编码比特数Rtxt，计算 用于层间预测的量化参数QPintely和用于层内预测的量化参数QP intely;
[0016] 步骤八、对步骤七中得到的用于层间预测的量化参数QPintely和用于层内预测的 量化参数QP intlraly进行微调；
[0017] 步骤九、设置在可伸缩编码过程中，进行预测编码时所使用的量化参数；
[0018] 将在步骤八中计算得到的QPintely的值赋值给进行层间预测编码时的量化参数；
[0019] 将在步骤八中计算得到的QPintely的值赋值给进行层内预测编码时的量化参数；
[0020] 步骤十、检查对当前帧的编码是否结束；
[0021] 若当前帧中的所有宏块都已编码完成，则对下一帧进行编码；
[0022] 若当前帧中的还有宏块未被编码，返回步骤二。
[0023] 发明效果
[0024] 采用本发明的一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法，
[0025] (1)本发明对像素域预测残差概率分布进行了分析，进而对宏块MD值的概率分 布进行了探讨，为层间预测和层内预测分别建立了单独并且足够精确的率失真关系模型， 该模型考虑到了基本层和增强层间编码时的相互影响，是基本层和增强层联合的率失真模 型。本发明还提出了一种改进的平均绝对差值预测模型，该模型能够使用基本层的一些编 码结果协助增强层的编码。提出的率失真模型能准确描述SVC标准的率失真关系；解决了 现有码率控制技术中率失真关系模型不能准确描述SVC标准的率失真关系的问题。
[0026] (2)本发明中提出的新的率失真关系模型考虑到了基本层和增强层间编码时的相 互影响，提出的率失真关系模型是基本层和增强层联合的率失真模型。实验结果说明，采 用本发明的一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法的码率控制精度在大多数情 况下都要优于JVT-W043码率控制算法和FixedQP码率控制工具。大多数的失配率都小于 0.1%，而最大的失配率只有0.47%。总体平均绝对失配率只有0.14%。可以说，提出的 码率控制算法能够非常精确地控制编码器的输出码率。与JVT-W043码率控制算法相比， 编码增强层时，我们提出的码率控制算法能够获得更好的率失真性能。实验结果说明，与 JVT-W043码率控制算法相比（1)在相同的重建图像客观质量（PSNR)下，提出的算法能够减 少编码码率可以高达5. 13 %; (2)在相同的编码码率下，提出的算法可以使峰值信噪比提高 达0. 28dB。总体来说，每个重建视频序列的PSNR在所有的目标比特率上都获得提高。因此， 相对于JVT-W043码率控制算法，无论目标码率设置为多少，本发明中提出的算法都可以有 效提高编码器的编码效率。解决了现有的率失真模型未考虑基本层和增强层间的相互影响 的问题。
[0027] (3)本发明利用基本层和增强层之间的高度相关性，提出了新的MD预测模型，
[0028]
【主权项】
1. 一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法，其特征在于，一种用于可伸缩视 频编码的宏块级码率控制方法具体是按照W下步骤进行的： 步骤一、初始化；若当前编码单元为第1帖中的第1个编码单元时，从编码配置文件 中读取量化参数的初始值InitialQP，并将InitialQP分别赋值给层间预测的量化参数 Qpintedy的初始值和层内预测的量化参数QPinttaly的初始值； 步骤二、对视频序列W宏块为编码单元进行可伸缩编码，在编码过程中使用步骤一中 设置的量化参数或步骤九中设置的量化参数，编码完成后存储编码结果； 步骤=、根据步骤二中得到的编码结果，对宏块的MAD预测模型的系数进行更新； 步骤四、将步骤S中更新后的模型系数带入宏块的MAD预测模型，利用新的宏块的MAD 预测模型对下一宏块的MAD值进行预测，得到宏块的MAD预测值MADd; 步骤五、根据在步骤二中获得的编码结果，对率失真模型系数进行更新，得到更新后的 率失真模型系数X；血1?、JTferiy、马ntraly和义产却； 步骤六、计算目标编码比特数R?; 根据标准测试软件JSVM中默认的编码比特数分配方法，计算下一宏块的目标编码比 特数Rtxt; 步骤走、利用步骤四中得到的宏块的MAD预测值MAD,1、步骤五中得到更新后的率失真 模型系数XiWnly和Xftaly和步骤六中得到的目标编码比特数Rw计算用于 层间预测的量化参数QpintWy和用于层内预测的量化参数QPinttaly; 步骤八、对步骤走中得到的用于层间预测的量化参数Qpintsd邢用于层内预测的量化 参数Qpinttaly进行微调； 步骤九、设置在可伸缩编码过程中，进行预测编码时所使用的量化参数； 将在步骤八中计算得到的Qpintsdy的值赋值给进行层间预测编码时的量化参数； 将在步骤八中计算得到的Qpinttaly的值赋值给进行层内预测编码时的量化参数. 步骤十、检查对当前帖的编码是否结束； 若当前帖中的所有宏块都已编码完成，则对下一帖进行编码； 若当前帖中的还有宏块未被编码，返回步骤二。
2. 根据权利要求1所述一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法，其特征在 于，所述步骤二中对视频序列W宏块为编码单元进行可伸缩编码，在编码过程中使用步骤 一中设置的量化参数或步骤九中设置的量化参数，编码完成后存储编码结果；具体过程 为： 利用可伸缩视频编码标准的参考软件JSVM对视频序列W宏块为编码单元进行编码， 在编码的过程中执行基于Lagrangian优化算法的率失真优化， 若当前宏块为增强层中第1帖中的第1个宏块时； 使用步骤一中设置的量化参数； 若当前宏块并非增强层中第1帖中的第1个宏块时； 使用步骤九中设置的量化参数； 从而选择最优编码模式，完成对每一宏块的编码后，存储关于该宏块的编码结果；编码 结果包括最优编码模式；实际产生的比特数实际的MAD值MAD 若所述最优编码模式是层间预测模式时，实际使用的层间量化参数值0巧; 若所述最优编码模式是层内预测模式时，实际使用的层内量化参数值饼普uiy. 所述Lagrangian为拉格朗日函数。
3.根据权利要求2所述一种用于可伸缩视频编码的宏块级码率控制方法，其特征在 于，所述步骤S中根据步骤二中得到的编码结果，对宏块的MAD预测模型的系数即式（1)中 的模型系数，进行更新；具体过程为： 将步