一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法

摘要

本发明公开了一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法，属于视频编码技术领域。本发明通过深入研究HEVC的编码结构，发现了现存HEVC码率控制GOP比特分配方法的缺陷，提出了一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法。本发明让每个I帧插入周期中各个不含I帧的GOP的比特均匀分配，提高了率失真性能，并且在每个I帧插入周期编码结束时让缓冲区状态回到0附近，提高了码率控制精度，减少了编码时需要的缓冲区大小和传输时的延迟。

权利要求

1.一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法，其特征在于，包括下列步骤：获取当前I帧插入周期中，未编码的帧数NPicIPRem，以及目标比特的GOP的大小NGOP；

根据公式 计算当前I帧插入周期中第i个GOP分配的比

特，其中i＝1,2,3,...,n，n表示当前I帧插入周期中GOP的个数，V(i)为当前I帧插入周期中第i个GOP之前的编码缓冲区状态，RPicAvg为视频的平均帧码率。

2.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，当i＝2,3,...,n时，获取当前I帧插入周期中第1个GOP编码后的编码缓冲区状态，记为V(2)；

在随机接入配置下，根据公式 计算当前I帧插入周期中

第i个GOP分配的比特。

3.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，在随机接入配置下，当前I帧插入周期中GOP的个数为n＝NIP/8，其中NIP表示当前I帧插入周期大小；在低延迟配置下，当前I帧插入周期的GOP个数为n＝NIP/4，其中NIP等于视频序列的帧数。

说明书

一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法

技术领域

[0001] 本发明属于视频编码领域，具体涉及一种新的HEVC(High Efficiency Video Coding)码率控制GOP级比特分配方法。

背景技术

[0002] 随着通信技术和多媒体技术的迅猛发展，视频应用已深入到人们生活的方方面面。码率控制是视频编码中的一项关键的技术，它的目标是使得视频编码后的码率满足所需要的码率限制，并使得编码时失真尽可能小。码率控制通常包含两步：目标比特分配和量化参数确定。对于HEVC码率控制，目标比特分配一般采用分级比特分配策略，依次为GOP(Group Of Pictures)级、帧级、CTU(Coding Tree Unit)级的编码单元分配目标比特；码率控制的第二步是量化参数确定，根据上一步给编码单元分配的目标比特数确定各帧和各块的量化参数。GOP级比特分配是目标比特分配的第一步，也是HEVC码率控制循环周期的第一步，所以GOP级比特分配的合理性对码率控制的准确性有根本性的影响。

[0003] 当前，对HEVC标准提出了多种GOP级比特分配方法：

[0004] (1)Choi和Yoo等人将H.264的码率控制方法移植到HEVC，具体参考文献“H.Choi and J.Yoo“, Pixel-wise unified rate-quantization model for multi-level Rate Control,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.7,no.6,Dec 2013.”，但该方案没有考虑HEVC的GOP结构与H.264的GOP结构的不同，使得含I帧的GOP后面那个GOP的比特分配过少，严重影响比特的正常分配和编码性能。

[0005] (2)Wang和Ma等人在GOP级将比特均匀分配，具体参考文献“S.Wang and S.Ma,“Rate-GOP based rate control for High Efficiency Video Coding,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.7,no.6,Dec 2013.”，但该方案没有考虑HEVC随机接入(Random Access)配置下open-GOP结构下GOP间结构的不同，使得随机接入配置下不含I帧的GOP分配的比特偏多。

[0006] (3)李斌等人提出了一种新颖的λ域码率控制方法，具体参考文献“B.Li and H.Li,“λdomain rate control algorithm for High Efficiency Video Coding,”IEEE Transaction on Image Processing,vol.23,no.9,Sep 2014.”，但是该方法为了平滑GOP比特波动，使用滑动窗口机制平滑GOP级比特分配方法。然而在随机接入配置下，如图1所示，该滑动窗口机制不能让编码缓冲区充盈度在一个I帧插入周期(Intra period)编码结束时回到0，编码缓冲区状态长期停留在高水平，导致编解码所需的缓冲区较大；且使得一个I帧插入周期中前面影响较大的GOP分配的比特少，后面影响较小的GOP分配的比特多(如图2所示)，影响编码性能。在低延迟(Low Delay)配置下，也有类似的问题，图3是低延迟配置下λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线图，曲线呈下凹状，前面下降快，后面下降慢，下降速度不均匀；图4为低延迟配置下λ域码率控制算法的GOP比特波动曲线图，I帧后面的GOP的比特呈现不断增加的趋势，影响编码性能。

发明内容

[0007] 为了使码率控制GOP级比特分配能够与HEVC中新的open-GOP编码结构相适应，本发明提供了一种新的GOP级比特分配方法，在随机接入配置和低延迟配置下均适用。

[0008] 本发明的一种新的HEVC码率控制GOP级比特分配方法包括下列步骤：

[0009] 获取当前I帧插入周期中，未编码的平均比特数RPicIPRem，以及目标比特的GOP的大小NGOP，根据公式TGOP(i)＝RPicIPRem×NGOP计算当前I帧插入周期中第i个GOP分配的比特。其中，在HEVC的随机接入配置下NGOP＝8；在HEVC的低延迟配置下NGOP＝4。

[0010] 另外，若HEVC为随机接入配置，则当前I帧插入周期中未编码的帧数NPicIPRem为：NPicIPRem＝(n-i+1)×NGOP，其中，n为当前I帧插入周期中GOP的个数。当I帧插入周期大小为
64、48、32、24时，n分别为8、6、4、3，即当前I帧插入周期中GOP的个数n＝NIP/8，其中NIP表示当前I帧插入周期大小。

[0011] 若HEVC为低延迟配置，则当前I帧插入周期的GOP个数为n＝NIP/4，其中NIP等于视频序列的帧数。

[0012] 若HEVC为低延迟配置，则一个视频序列是一个I帧插入周期，故当前I帧插入周期中未编码的帧数NPicIPRem为：NPicIPRem＝NPicRem，其中NPicRem表示当前视频序列中未编码的帧数，即低延迟配置下的当前I帧插入周期中未编码的帧数等于当前视频序列中未编码的帧数。

[0013] 因此，公式TGOP(i)＝RPicIPRem×NGOP可以进一步变换为：其中RPicAvg为视频的平均帧码率，V(i)为当前I帧插入周期中第i个GOP之前的编码缓冲区状态，即V(i)＝V(i-1)+TGOP(i-1)-NGOP·RPicAvg。其中有：

[0014]

[0015] 根据上述推导，可知V(n+1)为0，即本发明的方法在每个I帧插入周期(含n个GOP)的编码结束时，编码缓冲区充盈度都能回到0附近。编码缓冲区回到0附近，实际平均码率几乎等于目标码率，故随机接入配置下的I帧插入周期的比特波动小。

[0016] 故可得到不含I帧的GOP比特分配的通项公式： 其中i＝2,3,...,n，而V(2)表示前I帧插入周期中第2个GOP之前的编码缓冲区状态，即第1个GOP(TGOP(1)可根据TGOP(i)＝RPicIPRem×NGOP得到)编码后的编码缓冲区状态。从该通项公式可以看出，不含I帧的GOP分配的比特相同。让不含I帧的GOP分配相同的比特，在随机接入和低延迟配置下均有利于提高编码性能，且使得低延迟配置下GOP比特波动小。

[0017] 在给GOP分配好目标比特后，根据权重计算出GOP内部每一帧的目标比特，再根据每一帧分配的目标比特计算出每个CTU的目标比特。确定了每一帧和每一个CTU的目标比特，根据公式λ＝α·bppβ计算出拉格朗日乘子λ，其中bpp(bits per pixel)平均每个像素花费的比特数(一个视频帧的一帧bpp或一个CTU的bpp都可以)，α和β分别为与当前帧距离最近的处于相同时间层的帧编码完后的更新值；再根据公式QP＝4.2005lnλ+13.7122可出每一帧的QP和每一个CTU的QP，其中QP(Quantization Parameter)表示量化参数。最后编码器利用所计算出来的λ和QP进行编码。

[0018] 基于本发明的GOP级比特分配方法，可以使得每个I帧插入周期结束时，编码缓冲区充盈度都能回到0附近，使得编码缓冲区充盈度低，且最终的码率精确性高。同时，通过给不含I帧的GOP分配的比特相同，使得编码缓冲区均匀下降，提高编码性能。

[0019] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：能够提高码率控制精确性和编码性能，减小比特波动、传输延迟和编码缓冲区的大小。

附图说明

[0020] 图1为随机接入配置下λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线图；

[0021] 图2为随机接入配置下λ域码率控制算法的GOP比特波动曲线图；

[0022] 图3为低延迟配置下λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线图；

[0023] 图4为低延迟配置下λ域码率控制算法的GOP比特波动曲线图；

[0024] 图5为随机接入配置下本发明与λ域码率控制算法编码缓冲区状态对比曲线图；

[0025] 图6为随机接入配置下本发明与λ域码率控制算法GOP比特波动对比曲线图；

[0026] 图7为随机接入配置下本发明与λ域码率控制算法I帧插入周期比特波动对比曲线图；

[0027] 图8为低延迟配置下本发明与λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线对比图；

[0028] 图9为低延迟配置下本发明与λ域码率控制算法的GOP比特波动曲线对比图。

具体实施方式

[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

[0030] 实施例

[0031] 基于表1所示的通测序列，按照HEVC制定的通测条件在HEVC通测序列上进行测试。

[0032] 表1 HEVC的通测序列及帧数

[0033]

[0034]

[0035] 以表2所示的CfP(Call for Proposal)码率中的4个码率点为实验的目标码率：

[0036] 表2

[0037]序列 码率1 码率2 码率4 码率5
UHD 2.5Mbit/s 3.5Mbit/s 8Mbit/s 14Mbit/s
1080p 24Hz 1Mbit/s 1.6Mbit/s 4Mbit/s 6Mbit/s
1080p 50&60Hz 2Mbit/s 3Mbit/s 7Mbit/s 10Mbit/s
WVGA 384Kbit/s 512Kbit/s 1.2Mbit/s 2Mbit/s
WQVGA 256Kbit/s 384Kbit/s 850Kbit/s 1.5Mbit/s
720p 256Kbit/s 384Kbit/s 850Kbit/s 1.5Mbit/s

[0038] 原HEVC的参考软件HM-16.9中的码率控制算法实现的是λ域码率控制算法。将本发明所提出的方法实现在HM-16.9上，替换原来的GOP级比特分配方案：先以HEVC的分辨率为1920x1080的两个通测序列ParkScene和BQterrace在目标码率1000kbps的实验结果说明编码缓冲区状态和比特使用情况，再给出通测序列总体的码率控制精度和编码性能。

[0039] 图5为随机接入配置下本发明与λ域码率控制算法编码缓冲区状态对比曲线图，从图中可以看到本发明的方法编码缓冲区状态低，且在每一个I帧插入周期结束时都能回到0附近，可以减小的编解码缓冲区的大小和传输延迟。图6为随机接入配置下本发明与λ域码率控制算法GOP比特波动对比曲线图，可以看到，本发明的方法纠正了原来在一个I帧插入周期中前面的GOP比特少、后面的GOP比特多的缺点，让比特在不含I帧的GOP中均匀分配，有利于提高编码性能。图7为随机接入配置下λ域码率控制算法I帧插入周期的比特波动曲线图，本发明的方法让每个I帧插入周期使用的比特几乎相等，将I帧插入周期比特波动减弱到极低的水平，体现出很好地码率控制效果。

[0040] 图8为低延迟配置下本发明与λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线对比图，本发明纠正了原来编码缓冲区下降速度不一致的问题，使得缓冲区缓慢地均匀下降。图8为低延迟配置下本发明与λ域码率控制算法的编码缓冲区状态曲线对比图，本发明的GOP比特分配均匀，有利于提高编码性能，而λ域码率控制算法的GOP比特曲线在第一帧后面会出现一个明显的“凹槽”。

[0041] 将本发明的方法实现在HM-16.9上，并在HEVC的通测条件下做测试，得到码率误差(Bitrate Error)和编码性能两项指标，码率误差的计算公式为其中RRC为码率控制实际的比特率，RTar为码率控制的目标比特率。表3本发明与λ域码率控制算法码率的控制精度对比表。从表1可以看到，相比于原来的λ域码率控制算法，随机接入配置下平均码率误差为原来的37％，最大码率误差为原来的12％，低延迟配置下平均码率误差和最大码率误差均分别为原来的84％和81％。

[0042] 表3

[0043]

[0044] 编码性能指在相同的编码重建视频质量下的比特节省。表4为本发明的方法与λ域码率控制算法的亮度分量编码性能对比表，在随机接入和低延迟配置下亮度分量平均有0.2％的比特节省，提高了编码性能。

[0045] 表4

[0046]Class RA Main LD Main
A -1.8％ -
B -0.3％ -0.5％
C 0.8％ 0.1％
D 0.6％ -0.3％
E - 0.0％
Avg. -0.2％ -0.2％

[0047] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。