[发明专利]一种基于HEVC的Two-Pass码率控制方法

说明书

本发明涉及视频编码技术领域，尤其涉及一种基于HEVC的Two‑Pass码率控制方法。该方法的具体步骤为：步骤1，快速预编码视频序列，并收集对应编码单元的统计信息；步骤2，将根据前面收集的统计信息，进行比特分配、率失真模型参数训练拟合以及量化参数QP的计算。本发明有益效果是：在高低不同的目标码率下，本发明平均峰值信噪比PSNR对于复杂度、分辨率各不相同的视频序列均有提升，平均提升了0.42dB；在码率控制精度方面，本发明的码率误差对于不同视频序列均有降低，平均降低了4.81%。

技术领域

本发明涉及视频编码技术领域，尤其涉及一种基于HEVC的Two-Pass码率控制方法。

背景技术

随着视频编码技术的不断进步，主流视频向高清和超高清方向发展，随之带来了视频数据量的激增，为了达到更高的压缩性能，JCT-VC联合小组推出了H.265/HEVC视频编码标准，比以往H.264/AVC标准的压缩性能提升了一倍。在视频编码标准的实际应用中，码率控制，即在既定的目标码率下获得最优的视频质量，是视频编码中不可或缺的关键部分，也是视频编码领域研究的热点。

在视频编解码的实际应用中，可以利用的带宽资源往往是有限的。每帧视频的复杂度都随着视频内容在不断变化，视频复杂度越高，输出的编码比特数也会越高，如果不对码流加以控制，编码后得到的视频码率就会不断变化，大幅度变化的码率不能满足实际传输信道和传输带宽的要求，所以，码率控制在视频编码标准的实际应用中必不可少。

码率控制是在当前带宽限制下，通过一定的码率控制方法来匹配目标码率并取得最优视频质量的一种技术手段。率失真优化(Rate-Distortion Optimization,RDO)就是在率失真理论的指导下选择最优的编码参数，以在编码输出码率和压缩后造成的失真之间取得最佳的平衡，即在保证视频质量的前提下尽可能降低码率，或者是在相同输出码率条件下尽可能提升视频质量。率失真优化理论在码率控制中占据十分重要的作用。

率失真理论最早在1959年由香农发表的“保真度准则下的离散信源编码理论”而逐渐受到学者的关注，主要针对在允许一定失真的情况下，信源压缩的极限是什么这一问题，首次对率失真函数R(D)作出定义和论述。在之后相关领域的学者和专家不断地研究之后，率失真理论逐渐完善化和系统化。

视频的质量与最终输出码流的大小都主要受量化过程的影响，对同一视频使用不同的量化参数会得到不同的码率和视频质量。所以，码率控制的主要目的是得到一组量化参数QP，用它们来控制后续的编码流程，最终达到目标码率的要求。其中，重点就是找到码率和量化参数之间的映射关系，并建立模型，从而通过目标码率来获得所需的量化参数。

视频编码标准中使用的帧内预测和帧间预测方法，使得编码块之间的依赖性很强，它们的率失真性能也不能独立的分割开来考虑。因此，虽然率失真函数给出量化参数集和失真、码率之间的关系，但是直接使用率失真函数来求解量化参数是非常复杂的。实际的编码标准应用中，码率控制一般分为两个步骤进行，如图1所示，其中，第一步是比特分配(Bit Allocation)，就是把目标码率按一定的规则分配到图像组(GOP)、帧(Frame)以及编码块(CTU)等图像单位上；第二步就是建立合适的率失真模型计算量化参数(QP)，以控制后续的量化器，使得最终输出的码率可以匹配给定的目标码率。

(1)比特分配

最大编码块(Largest Coding Unit,LCU)是H.265/HEVC标准中可以独立编码的基本单元，H.264/AVC标准中与此对应的是宏块(Micro Block,MB)。对于HEVC标准，码率控制所能控制的最小单元，即能够为其单独分配量化参数的最小单元也是LCU。码率控制的第一步是码率分配，即比特分配。比特分配是逐步细分的，一般做法如图2所示，先将目标码率下的总比特数按一定规则先分配至GOP图像组中，再依次将码率分配至每一帧图像，进而分配至LCU级。同时，每一级中每编码完一个图像单元，就根据编码实际使用的比特数的情况，对后续比特分配进行调整和更新，即使用剩余比特数来更新后续的比特分配。