[发明专利]低延迟视频编码基于场景切换检测的码率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及视频图像压缩编码技术。

背景技术

码率控制是视频编码器中重要的功能组成部分。随着网络视频应用的不断拓展，网上视频点播、网络视频监控、视频电话通信和社交网络中视频应用的不断兴起和流行，视频图像的即时高质量传输及服务成为急迫的技术需求。上述这些应用在低延迟数据传输、控制、响应、带宽等方面都具有相对受限性。因此，开发适用于多种视频编解码标准的低延迟码率控制系统具有强烈的现实意义。

视频编码中的低延迟(Low-delay)特指帧间预测编码过程中仅包含帧内预测I-帧和单向预测P-帧，不使用双向预测即不采用B-帧结构编码。低延迟编码是快速进行的顺序编码，编码顺序和播放顺序一致。最常见的低延迟编码为“IPP..”或“IPP..IPP..”结构。图像组GOP被定义为以一个起始I-帧和若干连续P-帧组成，它的长度可以是固定的也可以是变化的。此外，全I-帧编码结构作为低延迟编码的特殊，其编码为“III..”。在全I-帧编码结构下，每一个GOP仅包含一个I-帧。

视频图像信号源场景变化、镜头瞬间切换频繁。从编解码器内部来看，由于采用帧间预测方式，后续帧将参考早前解码帧，那么在场景切换的瞬间，当前编码帧将无法直接从早前解码帧中获得有效的可参考图像(块)。从外部应用角度来看，场景切换时恰好应该是图像进行合理重新分组的时候，这样可以有效阻断视频编码预测误差蔓延。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种面向低延迟视频编码结构，可以准确检测出场景切换，进一步调整GOP长度，进行码率控制的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，低延迟视频编码中基于场景切换的码率控制方法，包括以下步骤：

1)计算当前帧的灰度直方图；

2)通过当前帧的灰度直方图与上一帧的灰度直方图计算两相邻帧的相似度指标；所述相似度指标通过高维向量余弦相似度表示：

其中，cos(θ_t-1,t)为两相邻帧直方图的余弦相似度，t表示当前编码时刻，H_t[i]表示在编码时刻t的视频图像帧像素灰度值为i的像素点总数，H_t-1[i]表示在上一编码时刻t-1的视频图像帧像素灰度值为i的像素点总数，视频图像帧像素灰度值的范围为1至n，n是灰度直方图用一维数组表示时的总元素个数；

3)当两相邻帧的相似度指标小于阈值，则表示发生场景切换，进入步骤4)；否则设置当前帧类型设置为P-帧，提取下一帧数据后返回步骤1)；

4)统计当前图像组GOP中已编码的P-帧是否达到帧率周期数值，如是，则进入步骤5)，否则设置当前帧类型设置为P-帧，提取下一帧数据后返回步骤1)；

5)设置当前帧类型设置为I-帧，开始一个新的GOP，提取下一帧数据后返回步骤1)；

在当前的编码时刻t，如当前编码帧为I-帧时，使用量化参数Q：

在当前的编码时刻t，如当前编码帧为P-帧时，使用量化参数Q：

其中，Q_t为当前的编码时刻t使用的量化参数Q，Q_t-1为上一个编码时刻t-1使用的量化参数Q，R_t-1表示上一个编码时刻t-1的帧编码输出比特，C_t为当前的编码时刻t的编码图像纹理复杂度，C_t-1为上一个编码时刻t-1的编码图像纹理复杂度；ΔR为编码时刻t需要修正的比特增量，表示B(t)被修正后的结果，Ipt(t)表示1个实际编码帧率F_C周期内相邻帧编码的量化参数Q的绝对差值和，为B(t)为当前的编码时刻t的缓冲区容量，B(t-1)为上一编码时刻t-1的缓冲区容量，α,β称为控制器参数，μ为防除0的经验参数；

当前编码帧为I-帧时率失真模型为lnR＝a·lnQ+b·lnC+c，Q表示量化参数，R表示帧编码输出比特，C表示编码图像纹理复杂度，a、b、c为率失真模型参数，率失真模型参数a、b的取值通过多元线性回归进行更新；当前编码帧为P-帧时率失真模型为lnR＝a·lnQ+c，率失真模型参数a的取值通过一元线性回归进行更新。

本发明的目的是，如果场景切换检测到发生，立即将当前帧类型设置为I-帧，将GOP中关于已编码P-帧的计数器置0，相关环境作初始化，即重新开始一个GOP的编码以提高视频编码的自适应性，还可以在通过调节GOP长度的同时，通过调节量化参数来控制码率。