基于模糊邏輯的碼率控制方法及視頻編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及視頻編碼技術(shù)與模糊控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)視頻實(shí)時(shí)通信需求的高速增長和網(wǎng)絡(luò)流媒體點(diǎn)播的廣泛普及，圓于相 對(duì)有限且實(shí)時(shí)可變的網(wǎng)絡(luò)帶寬，服務(wù)質(zhì)量和播放效果常常不盡如人意。碼率控制（Rate Control,RC)在視頻圖像壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域的重要性愈加突顯。
[0003] 碼率控制是視頻圖像編碼器一端的集成模塊，它基于網(wǎng)絡(luò)可用帶寬嚴(yán)格控制信道 上輸出的視頻比特流速率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的視頻圖像傳輸和播放，同時(shí)獲得視覺質(zhì)量和可用帶 寬之間的最佳平衡。為了獲得視覺質(zhì)量和帶寬之間的最佳平衡，通常碼率控制器通過設(shè)置 假想?yún)⒖冀獯a緩沖區(qū)的容量反饋數(shù)值來計(jì)算和分配編碼輸出比特，盡可能地保持平穩(wěn)的視 頻輸出流，并在有限的通信帶寬下提供最小失真的視頻圖像解碼視覺質(zhì)量。碼率控制是視 頻編碼器中重要的功能組成部分，在現(xiàn)有的各種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用中都存在實(shí)際的 解決方案。
[0004] 隨著視頻點(diǎn)播、視頻電話通信、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控等視頻應(yīng)用的興起，視頻圖像的及時(shí) 高質(zhì)量傳輸及服務(wù)保障成為當(dāng)前比較迫切的技術(shù)需求，適用于多種視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的低延 遲碼率控制系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義。
[0005] 視頻圖像的分辨率在編碼開始前即被給定，W像素點(diǎn)寬W和高H的乘積形式表示。 目標(biāo)比特率TBR在編碼開始時(shí)被設(shè)置，單位為比特每秒bps,在編碼過程中的任意時(shí)刻都可 W被改寫。當(dāng)TBR初始設(shè)置后，不被改寫的情況稱為恒定比特率CBR，被改寫一次或一次W 上的情況稱為可變比特率VBR。在不引起混淆的情況下，TBR被認(rèn)為是可W變動(dòng)的輸入?yún)?數(shù)，當(dāng)TBR取值在編碼過程中保持不變，則認(rèn)為是CBR模式，當(dāng)TBR取值在編碼過程中發(fā)生 改變，則認(rèn)為是VBR模式。帖率F即每秒播放的帖的數(shù)量，單位帖每秒巧S。受圖像采樣的 限制，信源帖率F,在視頻編碼前被給定。實(shí)際編碼帖率Fe通常被初始設(shè)置為與F,保持一 致，但也可W被設(shè)置為與F,不相等。視頻編碼碼率可W由每像素點(diǎn)比特bpp來進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng) 一，那么，可W將目標(biāo)比特率規(guī)范化為像素點(diǎn)目標(biāo)比特化PP，由公式（1)計(jì)算獲得。
[0006]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于模糊邏輯的碼率控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 計(jì)算當(dāng)前幀像素點(diǎn)目標(biāo)比特值Tbpp; 2) 更新當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)容量Bt，當(dāng)前時(shí)刻t= 0時(shí)，Bt= 0,當(dāng)前時(shí)刻t彡1時(shí)，Bt =BH+Rg-Tbpp;Bt_i為上一時(shí)刻t-1的緩沖區(qū)容量，Rt_i為上一時(shí)刻t-1幀編碼輸出比特； 3) 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)誤差Et，Et=Bt，緩沖區(qū)誤差變化ECt=Et-Eg，Eg為上 一時(shí)刻的緩沖區(qū)誤差；計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)誤差Et對(duì)應(yīng)的誤差區(qū)間[aE，bE]，緩沖區(qū)誤 差變化ECt對(duì)應(yīng)的誤差變化區(qū)間[aK，bEJ;
其中，靈+ ，靈為當(dāng)前時(shí)刻t的平滑輸出比特率；P為平滑系數(shù)，取 值范圍是〇至1 ; 0為先驗(yàn)的R-Q模型參數(shù)，取值范圍為〇. 08至0. 10為上一時(shí)刻t-1 幀編碼輸出比特，為上一時(shí)刻t-1的平滑輸出比特率； 4) 計(jì)算緩沖區(qū)誤差Et的量化參數(shù) <，將緩沖區(qū)誤差變化ECt的量化參數(shù)
5) 將緩沖區(qū)誤差量化參數(shù)< 進(jìn)行邊界綁定至模糊子集論域得到對(duì)應(yīng)的元素e為： e= max{-6,min{E^+6\ \； 將緩沖區(qū)誤差變化量化參數(shù)進(jìn)行邊界綁定至模糊子集論域得到對(duì)應(yīng)的元素ec為：ec= max{-6,min S￡"C\+6^\； 6) 利用元素e和元素ec查詢模糊控制查詢表得到當(dāng)前時(shí)刻t的調(diào)節(jié)量u;所述模糊控 制查詢表的列表頭對(duì)應(yīng)誤差E量化至模糊子集論域中的13個(gè)元素，行表頭對(duì)應(yīng)誤差變化EC 量化至模糊子集論域中的13個(gè)元素，13X13個(gè)單元格對(duì)應(yīng)13X13個(gè)控制量，模糊子集論域 S= {_6, _5, _4_3,~2,_1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}； 7) 計(jì)算真實(shí)控制量u%u#=[u?Ku]，Ku為量化因子，量化因子為編碼輸入量化參數(shù)變 化的最大變化量與調(diào)節(jié)量u的理論最大值的比值； 8) 利用真實(shí)控制量u%十算當(dāng)前時(shí)刻t的編碼輸入量化參數(shù)值Qt，Qt=max{Qmin，min{ Hu*}};其中，Qmin為量化參數(shù)最小值，Q-為量化參數(shù)最大值，Qh為上一時(shí)刻t-1的 編碼輸入量化參數(shù)值。
2. 基于模糊邏輯碼率控制的視頻編碼方法，特征在于，包括以下步驟： 1)初始化步驟： 1-1)編碼初始化：設(shè)置視頻圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)、碼率控制參數(shù)、數(shù)據(jù)封裝格式； 1-2)模糊控制初始化：設(shè)置7級(jí)模糊變量、模糊子集論域S= {-6, -5, -4-3, -2, -1，0, + 1，+2, +3, +4, +5, +6}和隸屬函數(shù)曲線，得到模糊控制查詢表，模糊控制查詢表的列表頭對(duì)應(yīng) 誤差E量化至模糊子集論域中的13個(gè)元素，行表頭對(duì)應(yīng)誤差變化EC量化至模糊子集論域 中的13個(gè)元素，13X13個(gè)單元格對(duì)應(yīng)13X13個(gè)控制量； 2) 幀級(jí)碼率控制步驟： 2-1)計(jì)算當(dāng)前幀像素點(diǎn)目標(biāo)比特值Tbpp; 2-2)更新當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)容量Bt，當(dāng)前時(shí)刻t= 0時(shí)，Bt= 0,當(dāng)前時(shí)刻t多1時(shí)，Bt=B^+RH-Tbpp;Bt_i為上一時(shí)刻t-1的緩沖區(qū)容量，Rt_i為上一時(shí)刻t-1幀編碼輸出比 特； 2-3)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)誤差Et，Et=Bt，緩沖區(qū)誤差變化ECt=Et-Eg，Et_$ 上一時(shí)刻的緩沖區(qū)誤差；計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t的緩沖區(qū)誤差Et對(duì)應(yīng)的誤差區(qū)間[aE，bE]，緩沖區(qū) 誤差變化ECt對(duì)應(yīng)的誤差變化區(qū)間[aK，bEJ;
其中，瓦=廣/?,l+ (l-p)j「泵為當(dāng)前時(shí)刻t的平滑輸出比特率；P為平滑系數(shù)，取 值范圍是〇至1 ; 0為先驗(yàn)的R-Q模型參數(shù)，取值范圍為〇. 08至0. 10為上一時(shí)刻t-1 幀編碼輸出比特，瓦i為上一時(shí)刻t-1的平滑輸出比特率； 2-4)計(jì)算緩沖區(qū)誤差Et的量化參數(shù) <，將緩沖區(qū)誤差變化ECt的量化參數(shù)五< :
2-5)將緩沖區(qū)誤差量化參數(shù)<進(jìn)行邊界綁定至模糊子集論域得到對(duì)應(yīng)的元素e為：e= max j-6,min JE^-\-6\ \； 將緩沖區(qū)誤差變化量化參數(shù)進(jìn)行邊界綁定至模糊子集論域得到對(duì)應(yīng)的元素ec為：ec= max j-6,min \； 2-6)利用元素e和元素ec查詢模糊控制查詢表得到當(dāng)前時(shí)刻t的調(diào)節(jié)量u; 2-7)計(jì)算真實(shí)控制量u%u#=[u?Ku]，Ku為量化因子，量化因子為編碼輸入量化參數(shù) 變化的最大變化量與調(diào)節(jié)量u的理論最大值的比值； 2-8)利用真實(shí)控制量u%十算當(dāng)前時(shí)刻t的編碼輸入量化參數(shù)值Qt，進(jìn)入步驟3) ;Qt =max{Qmin，min{Qmax，Q^+u*}};其中，Qmin為量化參數(shù)最小值，Qmax為量化參數(shù)最大值，Qt_i為上 一時(shí)刻t-1的編碼輸入量化參數(shù)值； 3) 根據(jù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t的編碼輸入量化參數(shù)值Qt對(duì)當(dāng)前讀取的一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編 碼完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，數(shù)據(jù)封裝后的長度為當(dāng)前時(shí)刻t的幀編碼輸出比特Rt，判斷編碼是 否完成，如是，則結(jié)束，否則，更新時(shí)間變量t=t+1，進(jìn)行下一幀編碼，返回步驟2)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于模糊邏輯的碼率控制方法及視頻編碼方法。本發(fā)明通過對(duì)表征輸出比特R與量化參數(shù)Q的指數(shù)關(guān)系特性的R-Q模型進(jìn)行變形，從而動(dòng)態(tài)地計(jì)算出緩沖區(qū)誤差對(duì)應(yīng)的誤差區(qū)間與緩沖區(qū)誤差變化對(duì)應(yīng)的誤差變化區(qū)間，為碼率控制與模糊控制的結(jié)合提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明的有益效果是，提供統(tǒng)一接口，支持恒定/可變比特率控制，碼率控制能力強(qiáng)。
【IPC分類】H04N21-234, H04N21-238, H04N19-70
【公開號(hào)】CN104702974
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510053198
【發(fā)明人】周益民, 朱策, 羅敏珂, 鐘敏
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月2日