[发明专利]实时视频流编码器和实时视频流编码方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像编码领域，具体而言，涉及一种实时视频流编码器和实时视频流编码方法。

背景技术

码率控制算法是视频编码技术中的核心内容之一，它的目的是为视频内容的不同部分分配适当的比特值，从而使编码视频的整体质量达到最优。H.264编码标准中通过量化系数QP（quantization parameter）来调节编码质量与编码压缩比的关系，QP越大，表示对图像预测残差的DCT系数进行量化时的量化步长越大、使用的比特数越少，则DCT系数的量化误差越大，从而导致编码质量越差、编码压缩比越大、视频码率越小。与之相反，QP较小则意味着编码质量较好且视频码率较大。码率控制算法通过调整视频码流中各个帧和各个宏块的QP来在视频内容的各部分之间分配可使用的比特数，从而在视频码率受限的情况下达到最优的编码质量。

一般而言，码率控制算法通过对视频内容进行特征分析来为每个帧或宏块选择恰当的QP。对于码率控制而言，视频内容最重要的特征是码率与量化参数的关系，以R-Q（Rate-Quantization）模型表示。一般而言，视频内容越复杂、运动越剧烈，则采用相同的QP时所使用的比特数越多。码率控制算法在各帧/宏块中通过R-Q模型在目标比特数与QP之间建立联系，从而达到为特定的目标比特值选择恰当QP或为特定的QP计算其预期比特值的目的。

码率控制算法从复杂度上一般分为基于一次编码的和基于二次编码的。在基于一次编码的码率控制算法中，由于编码器只进行一次搜索和编码运算，所以需要在搜索之前通过一定的算法选定QP值，然后依照此QP值进行搜索和编码。在基于二次编码的码率控制方法中，首先使用正常的或简化的搜索和码率控制方法对整个待编码视频序列进行第一次编码，然后通过对第一次编码的结果进行分析进行全序列的最优比特分配和QP分配，并按该QP进行第二次编码。

无论基于一次还是二次编码，码率控制算法一般分为几个层次，由高至低依次为图片组（GOP）层、帧层、宏块组（basic unit）层和宏块层，每一层的码率控制算法将视频分割为大小不同的部分，为每一部分分配恰当的目标比特并依R-Q模型来设定其QP。一般的码率控制方法流程如图1所示，图中的每个循环对应于一组或一帧图像，或者一组或一个宏块。

不同的码率控制方法中存在不同的反馈机制等优化措施以提高其性能和质量，具体流程可能与图1有一定区别，但从功能上进行划分的话主要如图1中一样分为三部分：

（1）分配目标比特数。分配目标比特数主要依据信道所要求的带宽限制按当前视频内容所占时间比例进行分配，并考虑不同的帧类型（I帧、P帧、B帧）以及各帧中不同的编码复杂度，且需要满足编码器传输缓存区的填充状态既不发生上溢也不发生下溢。

对于基于一次编码的码率控制方法，由于其无法知道当前帧之后的各帧特性，从而无法从全序列的角度进行最优的比特分配，而只能基于已完成编码的各帧来分配比特数，因此当视频内容特性变化剧烈的时候，有可能会有各帧之间比特分配不合理的情况发生。

有的基于预分析的一次编码码率控制方法会预先读取当前帧之后若干帧的内容进行预分析，从而得到当前帧之后若干帧的粗略特性，从而当各帧特性变化剧烈时实现更合理的帧间比特分配。但是，预分析功能读取未来帧的帧数一般较少，而且预分析功能本身由于不进行实际编码，其得到的未来帧的特性的准确度也不太高。

基于二次编码的比特分配是最准确的。二次编码的含义是先对全部待编码视频内容进行第一次编码，从而可以得到每一帧图像的编码特性，因此只要按照各个帧的编码复杂度进行比特分配，就可以达到使各帧编码质量基本均衡的目的。

（2）计算R-Q模型。计算R-Q模型需要知道目前所编码帧的R-Q特性，它是码率控制方法中对编码质量影响最大的步骤。得到R-Q特性主要有以下三种方式：

第一种方法，也是最简单的方法，是利用视频中连续各帧的内容一般会比较相似的特点，用前一个或几个已编码帧的R-Q特性计算当前帧的R-Q模型，即根据前一帧或几帧的QP值和实际编码比特值，作为本帧的QP值和实际编码比特值的预测关系，然后建立本帧的QP值与预期编码比特值的R-Q关系模型。可见，当当前帧与前几帧十分相似时，这种方法具有一定的准确性，但是当当前帧与前几帧相似度较差，如运动剧烈或内容变化较多时，这种方法得到的R-Q模型不能准确地反映当前帧的R-Q特性。