[发明专利]利用动态背景帧的视频编码方法

说明书

技术领域

本发明属于数字视频压缩编码技术领域，特别涉及帧间预测视频编码方法。

背景技术

视频信号由于信息量大，传输网络带宽要求高，给传输和存储都带来了很大的不便，因此实际应用中往往需要进行编码压缩。视频数据邻近帧间的景物内容常常变化较小，即存在着一定的相关性。运动估计就是利用图像间的这种相关性，消除其中的冗余信息，实现数据的压缩。

在视频监控或视频会议等应用中，摄像机的视场大多是固定不变的，有些摄像机(如带云台镜头控制的摄像头)有时会改变视场，但大部分时间其视场仍是固定不变的。因此这类视频序列通常具有一个显著的特征：画面上会有长间静止不动的景物，如路面、建筑物等，称之为背景区，运动物体如车辆、行人等只是在视频序列中以小段时间在背景图像上经过。在光照条件良好的情况下，在背景区可利用前一帧获得对当前帧的准确预测，从而大幅提高视频编码效率。但在夜间或光照不足时，或摄像机质量较差时，视频序列图像中的噪声往往幅度较大，这些噪声带来的干扰，将使得编码过程中帧间预测变得不准确，如运动估计不准确，匹配块之间的误差变大，从而使得视频数据不能得到有效的压缩，因此大幅增加了压缩后视频流的码率，这对数字录像和视频传输都是很不利的。本发明就是针对这种情况，给出一种利用动态背景帧的视频编码方法，提高了压缩编码效率，同时改善了解码重建图像的质量，并且降低了运动估计的复杂度。

发明内容

本发明主要解决噪声干扰较大并具有不变背景区的视频图像的压缩率不高问题，本发明特别适合光照不足的视频监控场合。本方法是在传统编码方法的基础上，在运动估计过程中增加了一种新的参考帧——动态背景帧，背景帧是根据重建图像动态生成的，并被不断更新。通过将当前宏块与背景帧相应宏块的匹配误差与某一阈值比较，选择当前帧间预测帧宏块是否选用背景帧相应宏块作预测。该阈值是利用噪声的估计值确定的。为了确保图像质量，在视频图像上噪声较小时，若小于一给定阈值，则自动关闭将背景帧作为参考帧这一功能。这种方法与传统编码方法相比提高了运动估计的准确性，有效地提高了编码效率，降低了编码复杂度。

本发明提出的利用动态背景帧的视频编码方法，主要包括了背景帧的动态生成及更新方法、运用背景帧的帧间预测方法和噪声估计方法三项技术。

帧间预测是视频编码的一项关键技术，本发明中帧间预测方法如下：

1)在帧间预测过程中，当前宏块首先与背景帧相应宏块计算匹配误差，然后将匹配误差与所选取的阈值TH1进行比较，若匹配误差未超过该阈值TH1，则采用背景帧相应宏块作为当前宏块的预测，否则，采用其他参考帧进行帧间预测。

2)运动搜索结束后，若当前块与其他参考帧进行帧间预测的最佳匹配块的匹配误差仍比其与背景帧相应宏块的匹配误差大，且未达到采用I宏块编码要求，则采用背景帧相应宏块作为对当前宏块的估计，否则采用搜索到的最佳匹配块进行预测或采用I宏块编码。

3)上述步骤1)中的阈值TH1是根据随机噪声的估计值动态确定的，TH1随着随机噪声的估计值的增大而增大。

4)在帧间预测过程中，利用对随机噪声的估计值和帧间预测误差，确定是否将当前宏块作为跳过宏块或I宏块。

在视频编码运动估计过程中，本发明利用对图像中的噪声的估计确定用于背景帧选择的阈值TH1，进而选择参考宏块，并且也利用图像中的噪声估计和帧间预测误差来动态确定是否将当前宏块作为跳过宏块或I宏块的控制。本发明中噪声估计方法包括以下几个方面：

1)将图像中噪声看成是零均值高斯随机噪声，构造一个噪声统计矩阵，矩阵的每个元素对应图像上的一个宏块的随机噪声的估计值，并任意设定一个初值。

2)若采用背景帧进行预测，或采用其他参考帧进行帧间预测运动搜索后运动矢量小于预设值TH2，且不是I宏块，则利用预测误差直接计算随机噪声的估计值；否则保留原值不变。

3)上述随机噪声的估计值可用预测误差平方和进行估计，但为了简化计算，可用预测误差绝对值之和(SAD)进行估计。

本发明中的背景帧是动态生成及更新的，具体生成方法如下：

1)若当前帧为I帧，则将当前帧的重建帧作为背景帧，或用其取代已有背景帧。

2)帧间预测时若当前宏块采用背景帧作为参考宏块进行预测，则用当前宏块重建数据与已有背景帧对应宏块数据的加权平均更新背景帧相应宏块。