專利名稱：一種視頻信號(hào)編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻信號(hào)處理，更具體地說(shuō)，涉及一種視頻信號(hào)編碼方法。

背景技術(shù)：
移動(dòng)無(wú)線信道具有易錯(cuò)(error-prone)的性質(zhì)。而象H.264這類現(xiàn)代壓縮編碼技術(shù)編碼后的圖象冗余度非常小，從而對(duì)數(shù)據(jù)包的丟失、誤碼特別敏感。無(wú)線信道的誤碼率與移動(dòng)速度、比特率、包的時(shí)間跨度、包大小等因素相關(guān)。表1例舉了6種應(yīng)用模式，分別表示不同的運(yùn)動(dòng)速度、比特率、包的時(shí)間跨度。
表1無(wú)線傳輸中可能的6種應(yīng)用模式 *BER，是指比特誤碼率(Bit Error Ratio)。
圖1中顯示了這6種模式在無(wú)線信道中的誤碼率隨著包尺寸改變的變化。圖1中，BER是指比特誤碼率(Bit Error Ratio)，BEP是指比特誤碼的模式(Bit Error Pattern)。從圖1中可以看到，隨著包尺寸的增加(伴隨著包數(shù)目的減少)，6種模式的誤碼率幾乎都呈線性增長(zhǎng)。從圖1的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，減少包尺寸的大小，對(duì)傳輸效率有正面影響，然而，從編碼器率失真性能看，包尺寸減小，意味著NAL(網(wǎng)絡(luò)提取層)數(shù)目增多，由于每個(gè)NAL必須獨(dú)立被解碼，意味著冗余信息的增多，這會(huì)導(dǎo)致Slice NAL(片網(wǎng)絡(luò)提取層)內(nèi)部的Slice(片)片頭必須包含重復(fù)的slice header(片頭)句法元素，Slice NAL內(nèi)部的Slice不能互相參考，從而降低幀內(nèi)編碼宏塊的率失真性能。
在無(wú)線信道中傳輸，數(shù)據(jù)包大小的決策問(wèn)題是一個(gè)重要的因素。人們?cè)噲D找到一個(gè)平衡點(diǎn)，既使編碼器的率失真性能不明顯下降，又能得到一定的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)性。這首先需要能夠在NAL層任意控制編碼器輸出數(shù)據(jù)包的尺寸。
圖2顯示了按照120kbps CBR(Constants Bit Rate，恒比特率)方式編碼FOREMAN測(cè)試序列的每幀圖象輸出的比特?cái)?shù)?？梢钥吹?，由于自然界中的視頻序列在時(shí)間上的復(fù)雜度總是波動(dòng)的，而且各個(gè)幀的編碼模式不一，即使是按照CBR模式編碼，每幀圖象產(chǎn)生的比特?cái)?shù)總是在較大幅度上波動(dòng)。H.264設(shè)計(jì)了片的結(jié)構(gòu)，允許每一幀圖象可以切割為若干個(gè)片，從而為本發(fā)明提供了條件。然而，仍然要解決的一個(gè)難題是如何能實(shí)時(shí)、精確地預(yù)測(cè)、控制每個(gè)片的尺寸大小。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述數(shù)據(jù)包的大小不能動(dòng)態(tài)控制導(dǎo)致冗余信息增多或者率失真性能不能均衡的缺陷，提供能夠動(dòng)態(tài)控制數(shù)據(jù)包的大小的一種視頻信號(hào)編碼方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種視頻信號(hào)編碼方法分析當(dāng)前片中，前一個(gè)宏塊的復(fù)雜度相對(duì)于整個(gè)片中已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度變化，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊n輸出比特?cái)?shù)目bn；如果bn超過(guò)

則當(dāng)前片截止；如果bn不超過(guò)

則繼續(xù)編碼宏塊；s是預(yù)測(cè)的NAL字節(jié)數(shù)。
在本發(fā)明所述的視頻信號(hào)編碼方法中，所述
其中，bn即為宏塊n編碼比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)值，

表示宏塊n內(nèi)部所有4×4小塊殘差系數(shù)的平方和；Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是宏塊n內(nèi)部位于坐標(biāo)(i，j)的k×l個(gè)殘差系數(shù)；α是調(diào)節(jié)因子，其取值范圍為0.5～2； 所述 其中，t為目標(biāo)平均碼率，f為幀率， 所述
Qpn，i為第n幀圖象的第i宏塊的量化參數(shù)，Qpn，i′為第n幀圖象的第i個(gè)宏塊的歸一化量化參數(shù)。
在本發(fā)明所述的視頻信號(hào)編碼方法中，所述α＝1.1。
在本發(fā)明所述的視頻信號(hào)編碼方法中，所述s＝min(s，1024)。
實(shí)施本發(fā)明的視頻信號(hào)編碼方法，具有以下有益效果編碼器可以計(jì)算出當(dāng)前比特率、幀率、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的NAL長(zhǎng)度，并統(tǒng)計(jì)已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度及輸出比特?cái)?shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊的復(fù)雜度及預(yù)期編碼比特?cái)?shù)，判斷片截止的條件，從而控制片的尺寸，達(dá)到自適應(yīng)地在率失真性能及數(shù)據(jù)包的誤碼率之間作平衡的效果。



下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中 圖1是誤碼率與包長(zhǎng)度的關(guān)系； 圖2是FOREMAN 300幀圖象每一幀比特?cái)?shù)的波動(dòng)示意圖； 圖3是本發(fā)明的一種視頻信號(hào)編碼方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 參考圖3，本發(fā)明的視頻信號(hào)編碼方法，其思想是動(dòng)態(tài)地判斷各種類型圖象的數(shù)據(jù)包尺寸的目標(biāo)值，繼而指導(dǎo)編碼器的工作流程，該方法包括(1)NAL長(zhǎng)度預(yù)測(cè)方法和(2)自適應(yīng)片(Slice)截止方法。
NAL長(zhǎng)度預(yù)測(cè)方法用于預(yù)測(cè)計(jì)算當(dāng)前比特率、幀率、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的NAL長(zhǎng)度，以便在率失真性能與信道誤碼率之間作權(quán)衡。
自適應(yīng)片截止方法用于統(tǒng)計(jì)已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度及輸出比特?cái)?shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊的復(fù)雜度及預(yù)期編碼比特?cái)?shù)，判斷片截止的條件，從而控制片的尺寸。
設(shè)目標(biāo)平均碼率t，幀率f，s為所求取的對(duì)應(yīng)圖象NAL預(yù)測(cè)的字節(jié)數(shù)，有 式1中，γ是調(diào)節(jié)因子，根據(jù)圖象類型、圖象過(guò)壓縮程度等情況來(lái)決定γ的值。由于圖象壓縮損失基本發(fā)生在量化階段，所以可以用量化參數(shù)值粗略地估算圖象的RD(率失真，Rate Distortion)性能。
設(shè)當(dāng)前編碼圖象Framen，第i宏塊的量化參數(shù)為Qpn，i前一幀圖象Framen-1的各宏塊量化參數(shù)為Qpn-1，i。為減少計(jì)算量，通過(guò)分析Framen-1中的Qpn-1，i，粗略推算Framen-1的率失真性能，然后以此預(yù)測(cè)Framen的情況，如果Framen-1的量化參數(shù)偏高，意味著Framen-1過(guò)壓縮的情況嚴(yán)重，則增加Framen中NAL的尺寸(即比特?cái)?shù))，從而補(bǔ)償率失真性能；反之，如果Framen-1的量化參數(shù)偏低，意味著Framen-1的質(zhì)量良好，則減少Framen中NAL的尺寸(即比特?cái)?shù))，從而減少信道中的誤碼率，提高碼流的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)性。
實(shí)際編碼中，I、P、B類型的宏塊類型不同，量化的策略會(huì)有不同。在編碼器中，I圖象作為整個(gè)GOP(Group of Pictures，畫(huà)面組)的運(yùn)動(dòng)參考源需要有最高的率失真性能，它的量化參數(shù)一般會(huì)比P圖象高2～3；P圖象對(duì)于后續(xù)P及B圖象，在時(shí)間上也具有較高的參考價(jià)值，量化參數(shù)通常比B圖象高出2。所以可以對(duì)Qpn-1，i作類似歸一化處理
γ按式(3)取值。式(3)所描述的模型具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。之所以選用21作為臨界值，是因?yàn)?1幾乎是低碼率下壓縮時(shí)量化參數(shù)的起點(diǎn)，編碼器工作在低碼率區(qū)間時(shí)，Qpn，i幾乎不會(huì)低于21。
Qpn，i＞21時(shí)，編碼器按照上述分析的NAL的比特?cái)?shù)原則工作，即量化參數(shù)越大，表明失真越大，此時(shí)擴(kuò)大NAL尺寸以提升率失真性能；量化參數(shù)越小，表明率失真性能質(zhì)量高，可以縮小NAL的字節(jié)數(shù)以減少網(wǎng)絡(luò)誤碼率。Qpn，i＜21時(shí)，此模型不能工作。
確定γ后，就可以得出s的最終表達(dá)式 最后還需要滿足s＝min(s，1024)，min(·，·)表示最小值函數(shù)，即當(dāng)s比1024大時(shí)，s的值被改為為1024，當(dāng)s比1024小時(shí)，s的值不變。這是因?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)中路由器有MTU(Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元)的問(wèn)題。
本方法的主要思想是，通過(guò)分析在當(dāng)前片中，前一個(gè)宏塊的復(fù)雜度相對(duì)于整個(gè)片中已編碼宏塊的復(fù)雜度變化，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊輸出比特?cái)?shù)目；如果編碼當(dāng)前宏塊后導(dǎo)致整個(gè)片的大小超過(guò)計(jì)算的NAL預(yù)測(cè)比特?cái)?shù)，則當(dāng)前片截止。
這個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)是不需要實(shí)際編碼各個(gè)宏塊就能提前判斷截止。設(shè)n是當(dāng)前片中編碼宏塊的序號(hào)，設(shè)Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是宏塊n內(nèi)部位于坐標(biāo)(i，j)的k×l個(gè)殘差系數(shù)。

Rn表示第n個(gè)宏塊內(nèi)部所有4×4小塊殘差系數(shù)的平方和。
式(5)給出第n個(gè)宏塊編碼比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)值，設(shè)bn是第n個(gè)宏塊編碼的比特?cái)?shù)。bn由bn-1對(duì)復(fù)雜度加權(quán)后預(yù)測(cè)得來(lái) 式5中α是調(diào)節(jié)因子，在實(shí)驗(yàn)中觀察，取值1.1是比較合適的值，在具體實(shí)施時(shí)也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。下面給出片的截止條件的算法描述 如果

則當(dāng)前片截止； 否則，繼續(xù)編碼第n個(gè)宏塊。
通過(guò)本發(fā)明的視頻信號(hào)編碼方法，編碼器可以計(jì)算出當(dāng)前比特率、幀率、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的NAL長(zhǎng)度，并統(tǒng)計(jì)已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度及輸出比特?cái)?shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊的復(fù)雜度及預(yù)期編碼比特?cái)?shù)，判斷片截止的條件，從而控制片的尺寸，達(dá)到自適應(yīng)地在率失真性能及數(shù)據(jù)包的誤碼率之間作平衡的效果。
權(quán)利要求
1.一種視頻信號(hào)編碼方法，其特征在于，包括下列步驟
分析當(dāng)前片中，前一個(gè)宏塊的復(fù)雜度相對(duì)于整個(gè)片中已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度變化，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊n輸出比特?cái)?shù)目bn；如果bn超過(guò)
則當(dāng)前片截止；如果bn不超過(guò)
則繼續(xù)編碼第n個(gè)宏塊；所述s是預(yù)測(cè)的NAL字節(jié)數(shù)；所述
表示前n-1個(gè)宏塊的輸出比特?cái)?shù)目之和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻信號(hào)編碼方法，其特征在于，
所述
其中，bn即為當(dāng)前宏塊n編碼比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)值，
Rn表示第n個(gè)宏塊內(nèi)部所有4×4小塊殘差系數(shù)的平方和；Cn，i，j，k，l(0≤i，j，k，l≤3)是第n個(gè)宏塊內(nèi)部位于坐標(biāo)(i，j)的k×l個(gè)殘差系數(shù)；α是調(diào)節(jié)因子，其取值范圍為0.5～2；
所述
其中，t為目標(biāo)平均碼率，f為幀率，
所述
Qpn，i為第n幀圖象的第i個(gè)宏塊的量化參數(shù)，Qpn，i′為第n幀圖象的第i個(gè)宏塊的歸一化量化參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的視頻信號(hào)編碼方法，其特征在于，所述α＝1.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻信號(hào)編碼方法，其特征在于，所述s＝min(s，1024)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種視頻信號(hào)編碼方法，包括下列步驟分析當(dāng)前片中，前一個(gè)宏塊的復(fù)雜度相對(duì)于整個(gè)片中已經(jīng)編碼宏塊的復(fù)雜度變化，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前編碼宏塊n輸出比特?cái)?shù)目bn；如果bn超過(guò)則當(dāng)前片截止；如果bn不超過(guò)則繼續(xù)編碼宏塊；所述s是預(yù)測(cè)的NAL字節(jié)數(shù)。實(shí)施本發(fā)明的視頻信號(hào)編碼方法，可達(dá)到自適應(yīng)地在率失真性能及數(shù)據(jù)包的誤碼率之間作平衡的效果。
文檔編號(hào)H04N7/68GK101778296SQ20091010486
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者馬國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:深圳市融創(chuàng)天下科技發(fā)展有限公司