专利名称：一种稳定视频质量的码率控制方法
技术领域：
本发明涉及图像传输技术，具体涉及一种稳定视频质量的码率控制方法。
背景技术：
在进行数据信号传输时，因为视频数据量很大，信道带宽相对较小，需要对视频信 号进行压縮，对视频信号压縮的目的在于压縮视频数据量，实现在有限信道带宽条件下的 视频传输。当前一般采用PSNR(peak signal-to-noise ratio,峰值信噪比)作为评价视频 质量的客观标准，与峰值信噪比相比，SSIM(structural similarity,结构化相似度)能够 更好的反映HSV(human visual system,人眼视觉系统)特性，同时它具有归一化的特性。 与视频质量相关的码率控制方案是视频编码的一个重要研究方向，码率控制有两个主要的 领域CBR(constantbit rate，恒定码率)控制与VBR(Variant Bit rate,可变码率)控制。 CBR以控制恒定码率为目的，当发生场景变化时，必须对大运动的视频分配较多码率才能保 证高质量的视频，同时还要保证输出码率的基本恒定。在实时视频通信应用中，考虑到延时 的约束，必须采用单通道(1-PASS)码率控制算法，这样的话，当发生场景变化、视频存在大 运动时，既不允许采用双通道(2-PASS)算法重新优化视频帧间的码率分配，也不允许大的 输出码率波动，因此大运动视频所获得的码率不足以支撑较高的视频质量，也就必然导致 视频质量的下降；VBR允许码率根据场景的复杂度在一定范围内变化，通过码率在一定范 围内的变动来换取较平稳的主观视频质量，但当前的很多VBR算法不能满足可平滑调控稳 定视频质量的要求，而且运算复杂，实现困难，VBR算法大至被分为多通道与单通道两类，多 通道技术可以提供较好的视频质量，但是由于其运算复杂度高及非实时性的特点，无法在 实时视频通信系统中使用，实时视频通信系统一般采用单通道VBR方法。大多数现有单通 道VBR算法采用如图1所示的开环结构，算法关注在某个参考码率及基于该参考码率的波 动范围约束下如何更好的分配、控制图像层或宏块层的比特率，以达到PSNR的提升，从而 提高视频质量；其中有一类单通道VBR算法不关心参考码率，而仅设定一个恒定的量化参 数QP，但这种算法得到的视频输出码率很不稳定，不适合网络视频等对带宽有控制要求的 应用场合。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种稳定视频质量的码 率控制方法。 本发明提供一种稳定视频质量的码率控制方法，包括以下步骤S1 :估计P帧类型 图像复杂度或者I帧类型图像的复杂度；S2 :获得第k帧图像的预分配码率；S3 :根据得到 的P帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率或者是I帧类型图像复杂度和第k帧图 像的预分配码率计算出第k帧的量化参数QPk ;S4 :编码器按照量化参数QPk来编码调节压 縮率，进而控制视频输出码率。
其中，在步骤SI中，P帧类型图像复杂度是通过如下公式计算得到
+舰(l)，
)=0
essim(k_l)为k-l帧编码图像的实际SSIM值与设定SSIM值之差，设定的SSIM取9-0. 99之间;essim(k_l) = SSIMset-SSIM(k-l)
SSIMset为第k-l桢图像的设定SSIM值，SSM(k-l)为编码重建图像的实际SSIM Kp、 K工、KD分别为位置式数字PID控制器的比例放大系数，因为视频变化比较平稳，在此式中不考虑微分校正，即KD = 0，根据试验得到K工=200-400 ;根据式子Kp =k* A bitrate/ A ssim*f ， k为比例系数，取k = 1. 5-3， f为视频帧率，f = fps， f取值5-30，Abitrate为变化的码率，A ssim指视频序列中在某个SSIM表征的视频质量区间内SSIM的变化量，Abitrate、 Assim为以ssim衡量的率失真曲线上在某个码率区间内的变化量，请参考图(3)，实际值根据不同性质的视频序列实验测定；Bits(l) = bitrate/fps，其中bitrate为给定的参考码率取值>=32Kbps， fps为视频帧率设为5_30。
其中，在步骤S3中，第K帧的量化参数QPk中根据式MADk二 ReBitSkXQPk得到。
其中，对积分环节输出量Ik及实际码流控制量ABits(k)输出作相应的限幅调整，积分环节输出量JfkiZ essim(j)， 如果Ik < 0并且Ik < -bitrate/f ，则Ik = -bitrate/f ;
如果A Bits (k) < 0， A Bits (k) = a *bitrate/f bitrate为参考码率，f为帧率，a为比例系数，a = 0. 05 0. 15， bitrate为参 考码率取值>=32Kbps 。 与现有技术相比，本发明具有以下优点 本发明可平滑调控稳定视频质量，满足许多应用场合的视频需求。
图1是现有技术的一种编码器与控制器的关系图；
图2是本发明实施例的一种视频编码PID系统的原理图；
图3是本发明实施例的以SSIM衡量的率失真性能示意图； 图4是本发明实施例的paris_CIF序列在SSIM = 0. 96时的SSIM输出示意图。
具体实施例方式
本发明提出的稳定视频质量的码率控制方法，结合附图和实施例说明如下。
实施例1 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 本发明技术原理如图2所示，将自动控制理论中的PID controller (Proportions 1-Integral-Derivative controller,比例-积分-微分控制器)控制算法和视频压縮中的 率失真模型结合起来，把实现可平滑调控稳定视频质量问题看作一个位置随动系统的自动 控制问题。采用SSIM (structural similarity,结构化相似度)作为表征期望视频质量的 参数，编码器中解码重构图像与原始图像间的SSIM值与给定SSIM的偏差经过PID运算后 得到下一幅待编码图像的预分配码率的修正量，再运用简化的率失真模型得到量化参数。
本实施例针对视频会议场景在H. 264(联合视频组(JVT)共同制定的新一代数字 视频编码标准)上实现，通过如下步骤
步骤1 : 给定一个表征视频质量的SSIM值，该值范围一般取0. 90 0. 99 ;第一帧图像的 量化参数QP (1)，该值一般取26 30 ;参考码率R，可由使用者任意指定，按现有网络条件， 一般不会低于32Kbps。 步骤2:第一帧图像指按量化参数QP(1)进行编码得到第一帧图像的码率 ReBitSp按式(1)所示的简化一阶率失真模型后验估计第一帧图像的复杂度MAD"
n . M爿D t ,'、 ReS"" = * (1)
y卜k 式(1)，中ReBitSk是为第k帧图像分配的码率，MADk为第k帧图像的复杂度估计， QPk是为第K帧图像分配的量化参数。 步骤3 :按与式(2)等价的递推公式(3)估计P帧类型图像的复杂度
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M碼"S " "、 (2)
線￡)2 = Mv4D,(fc = 2) 式(2)中。MADK为第K帧待编码图像的复杂度估计值，q为复杂度估计偏移因子，q与图像复杂度及编码器有关，代表已编码图像在图像复杂度估计计算中的权重，一般来讲，图像序列的复杂度越大、序列变化越剧烈，该值越小，但并非与复杂度呈严格的反比关系，在视频会议场景下，图像序列变化比较平缓，实验表明，O. 85 0. 95的取值比较合理。根据步骤2中得到的MAD1值，就可以估计出图像中各个P帧图像的复杂度，
步骤4 :按式(3)所示的平均值法估计I帧类型图像复杂度 廳工=f (廳p pre) (3) 式(3)中，MADp,为已编码P帧的后验复杂度估计值，该值等于步骤3中得到的MADK的值，f代表I帧类型图像复杂度估计算法，f有很多种选择方法，如平均值法、加权平均法等，本实施例中按平均值法估计MADp即按如下估计公式计算 = 、2M力Z)乂 / go/^/ze — 1 (4) 式(5)中，MADj为上一个GOP (Group of Picture,画面组)中P帧图像的后验复杂度估计，本实施方式中，一个GOP由一个I帧图像和若干个P帧图像组成，gopsize为一个GOP大小。 步骤5:按式(6)计算第k-l帧编码图像的实际SSIM值与设定SSIM值间的偏差essim (k-1) essim(k_l) = SSIMset-SSM(k_l) (5) 式(5)中，essim(k_l)为第k-1帧编码图像的实际SSIM值与设定SSIM值间的偏差，SSMset为设定的SSIM值，该值范围一般取0. 90 0. 99， SSIM(k-l)为第k_l帧编码图像的实际SSIM值。 步骤6 :按式(7)计算第k帧图像的码流控制量A Bits (k) A所"("=— 1) + & ix.冊(力+ ^j[e鹏"-1) — —2)+ (6) essim(k_l)为k-1帧编码图像的实际SSIM值与设定SSIM值之差，设定的SSIM取
值在0. 9-0. 99之间; essim(k-l) = SSIMset-SSIM(k-l) SSMset为第k-1桢图像的设定SSM值，SSM(k-1)为编码重建图像的实际SSM值。 Kp、 K工、KD分别为位置式数字PID控制器的比例放大系数，因为视频变化比较平稳，在此式中不考虑微分校正，即KD = 0，根据试验得到K工=200-400 ;根据式子Kp =k* A bitrate/ A ssim*f ， k为比例系数，取k = 1. 5-3， f为视频帧率，f取值5-30， A bitrate为变化的码率，Assim指视频序列中在某个SSIM表征的视频质量区间内SSIM的变化量；Bits(l) = bitrate/fps，其中bitrate为给定的参考码率取值>=32Kbps， fps为视频帧率设为5-30。
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其中，在步骤S3中，第K帧的量化参数QPk中根据式MADk二 ReBitSkXQPk得到。
其中，对积分环节输出量Ik及实际码流控制量ABits(k)输出作相应的限幅调
A—1
整，积分环节输出量J^ki Z essim(j)， 如果Ik < 0并且Ik < -bitrate/f ，则Ik = -bitrate/f ;
如果A Bits (k) < 0， A Bits (k) = a *bitrate/f bitrate为参考码率，f为帧率，a为比例系数，a = 0. 05 0. 15， bitrate为参 考码率取值>=32Kbps 。 由于视频信号变化比较平稳，试验表明，可以不加入微分校正，即KD = 0 为了保证系统的稳定性及良好的动态响应性能，本实施例对积分环节输出量Ik及
实际A Bits (k)输出作相应的限幅调整， ;t - 1 , A = K / Z e ( 7 )
乂 = 0 如果Ik < 0并且Ik < -bitrate/f ，则Ik = -bitratef ; (7)
如果A Bits (k) < 0， A Bits (k) = a *bitrate/f (8)
式(7)、 (8)中bitrate为参考码率，f为帧率。a为比例系数，a与设定视频质 量表征参数SSIM有关，SSM越大，a越大，一般取a = 0. 05 0. 15
步骤7 :按式(12)计算第k帧图像的预分配码率ReBitSk，
k-lRe所a = j]ReBitSj * zk—J + ReBit^—, + ABits(k)(k 2 2)
j=i A Bits (k)为由步骤(6)算出的第k帧图像的码流控制量，z为预分配码率估计偏 移因子，z = 0. 85-0. 95。 步骤8 :把步骤(3)或步骤(4)及步骤(7)得到的结果代入式(1)，得到第k帧的
量化参数QPk，编码器按照第k帧的量化参数QPk对第k帧图像进行编码。 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通
技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有
等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤S1估计P帧类型图像复杂度或者I帧类型图像的复杂度；S2获得第k帧图像的预分配码率；S3根据得到的P帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率或者是I帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率计算出第k帧的量化参数QPk；S4编码器按照量化参数QPk来编码调节压缩率，进而控制视频输出码率。
1. 一种稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，包括以下步骤51 :估计P帧类型图像复杂度或者I帧类型图像的复杂度；52 :获得第k帧图像的预分配码率；53 :根据得到的P帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率或者是I帧类型图像 复杂度和第k帧图像的预分配码率计算出第k帧的量化参数QPk ;54 :编码器按照量化参数QPk来编码调节压縮率，进而控制视频输出码率。
2. 如权利要求l所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，在步骤Sl中，P帧 类型图像复杂度是通过如下公式计算得到S AfJZ)乂 * 卜乂 + A/^4Z^ —(A:》3).似碼=M爿Z),(A: = 2)'.':MADk为第k帧待编码图像的复杂度估计值，q为复杂度估计偏移因子，q = 0. 85 0. 95。
3. 如权利要求2所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，第一帧图像复杂 度MAD工通过如下步骤得到511 :设定第一帧图像的量化参数QP(l)，QP(l)取26 30 ;512 :编码器根据根据量化参数QP(l)对第一帧图像编码，得到预分配码率ReBit^ ;513 :将QP(l)、ReBitSi的值代入式子MADk = ReBitskX QPk中，得到第一帧图像复杂度 MAD1Q
4. 如权利要求1所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，在步骤SI中，I帧 类型图像复杂度是通过如下公式计算得到MAD工=f (MADP Pre) ， (MADP,)为已编码P帧类型图像的后验复杂度估算值，f为I帧类 型图像复杂度估计算法，MAR为I帧类型图像复杂度，MADp, = MADk ; I帧类型图像复杂度估计算法f采用平均值法，即MAD产Z MAD/gopsize-1,■/=iMADj为上一个图像中P帧的后验复杂度估计，gopsize为画面组大小。
5. 如权利要求1所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，在步骤S2中，第k 帧图像的预分配码率ReBitSk通过如下公式计算得到k—1Re历",I]ReBitSj *zk—J +ReBit&—i +ABits(k)(k^2)j=iZ为预分配码率估计偏移因子，ABits(k)为第k帧图像的码流控制量，z = 0. 85-0. 95 ;第k帧图像的码流控制量ABits(k)，通过如下公式得到，A-1纖W =《,誦(A: -1) +《2>』.)+ #，& -1) - e』-2)〗+倫(l),戶oessim(k_l)为k-l帧编码图像的实际SSIM值与设定SSIM值之差，设定的SSM取值在 0. 9-0. 99之间，获得第k-l帧编码图像的实际SSIM值；KP、 K工、KD分别为位置式数字PID控制器的比例放大系数，因为视频变化比较平稳，在此式中不考虑微分校正，即KD = O，根据试 验得到K工=200-400 ;根据式子Kp = k* A bitrate/ A ssim*f ， k为比例系数，取k = 1. 5-3， f为视频帧率f取值5-30， A bitrate为变化的码率，A ssim指视频序列中在某个SSIM表征 的视频质量区间内SSIM的变化量，Bits(l) = bitrate/fps，其中bitrate为给定的参考码 率取值>=32Kbps， fps为视频帧率设为5-30。
6. 如权利要求1所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，在步骤S3中，第K 帧的量化参数QPk中根据式ReBitsk = MADk/QPk得到。
7. 如权利要求5所述的稳定视频质量的码率控制方法，其特征在于，对积分环 节输出量Ik及实际码流控制量ABits(k)输出作相应的限幅调整，积分环节输出量Ik:k^ essim(j),如果Ik < 0并且Ik < -bitrate/f，则Ik = -bitrate/f ; 如果A Bits (k) < 0， A Bits (k) = a *bitrate/fbitrate为参考码率，f为帧率，a为比例系数，a = 0. 05 0. 15， bitrate为参考码 率取值>=32Kbps 。
全文摘要
本发明涉及图像传输技术，具体涉及一种稳定视频质量的码率控制方法。该方法通过以下技术手段实现，包括以下步骤S1估计P帧类型图像复杂度或者I帧类型图像的复杂度；S2获得第k帧图像的预分配码率；S3根据得到的P帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率或者是I帧类型图像复杂度和第k帧图像的预分配码率计算出第k帧的量化参数QPk；S4编码器按照量化参数QPk来编码调节压缩率，进而控制视频输出码率。本发明可平滑调控稳定视频质量，满足许多应用场合的视频需求。
文档编号H04N7/24GK101754003SQ20081023948
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年12月11日
发明者董云杰 申请人:北京威速科技有限公司