一种考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法及设备

本技术涉及视频编码领域，特别是涉及一种考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法及设备。

背景技术：

1、随着数字视频内容的生产和消费日益增加，有效的视频编码技术变得尤为关键。视频编码的主要挑战之一是如何在限定的带宽和存储条件下，优化视频流的传输和存储效率，同时保持或提升视频质量。码率控制是实现这一目标的核心技术，在视频编码过程中，码率控制技术确保视频数据在有限的网络带宽和存储空间中有效传输和存储。码率控制技术随着视频编解码技术的发展不断演进，在较早期的国际视频编码标准h.261和mpeg-1中，简单地利用缓存器状态反馈来调节编码量化步长实现码率控制。为了更精细地控制输出码率，后续的标准包括h.263、mpeg-4、h.264/avc、hevc和vvc等，都引入了率失真码率模型进行码率控制。码率控制技术发展过程中，主要的码率模型有r-q模型、r-ρ模型和r-λ模型。码率控制主要包括两个模块：比特资源分配和比特率控制。比特资源分配依据可用带宽或存储容量，对图像组、编码帧以及编码单元进行目标比特数的分配；而比特率控制的任务则是确保编码器按照目标比特数进行输出。严格的比特率控制对视频编码器的压缩效率造成影响，研究表明传统方法在实现码率控制的同时，往往会导致视频编码器的率失真性能下降，即视频重建质量与编码码率之间的优化平衡被破坏。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法及设备，可在确保视频编码器输出指定码率的前提下，显著提升视频编码器率失真性能。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供一种考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法，包括：

4、根据当前图像组的剩余比特预算和当前待编码帧的比特分配权重为当前待编码帧分配目标比特数；

5、根据当前待编码帧的目标比特数和帧级r-λ模型计算帧级的拉格朗日乘子；

6、若当前待编码帧不是当前图像组中的关键帧，则根据当前待编码帧的剩余比特预算和当前待编码编码树单元的比特分配权重为当前待编码编码树单元分配目标比特数，根据当前待编码编码树单元的目标比特数和编码树单元级r-λ模型计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，并对当前待编码帧进行编码；

7、若当前待编码帧是当前图像组中的关键帧，则根据前一已编码帧的帧级平均拉格朗日乘子和帧级平均量化参数对当前待编码帧进行预编码以获得像素块的失真传播因子，根据像素块的失真传播因子和帧级的拉格朗日乘子计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，并对当前待编码帧进行编码；

8、若当前待编码帧是视频序列最后一帧，则编码结束；若当前待编码帧不是视频序列最后一帧，则将下一待编码帧作为当前待编码帧并转到根据当前图像组的剩余比特预算和当前待编码帧的比特分配权重为当前待编码帧分配目标比特数的步骤。

9、可选地，根据当前图像组的剩余比特预算和当前待编码帧的比特分配权重为当前待编码帧分配目标比特数，具体包括：

10、根据当前图像组的剩余比特预算和当前待编码帧的比特分配权重，采用公式为当前待编码帧分配目标比特数；其中，tpic为当前待编码帧的目标比特数，tgop-codedgop为当前图像组的剩余比特预算，tgop为当前图像组的目标编码比特数，codedgop为当前图像组中已编码帧消耗的比特数，表示对当前图像组中所有未编码帧的比特分配权重求和，ωpic为帧的比特分配权重，ωpiccurr为当前待编码帧的比特分配权重。

11、可选地，根据当前待编码帧的目标比特数和帧级r-λ模型计算帧级的拉格朗日乘子，具体包括：

12、根据当前待编码帧的目标比特数，采用帧级r-λ模型计算帧级的拉格朗日乘子；其中，λpic为帧级的拉格朗日乘子，tpic为当前待编码帧的目标比特数，w为帧的宽度，h为帧的高度，αpic和βpic均为帧级r-λ模型的参数。

13、可选地，根据当前待编码帧的剩余比特预算和当前待编码编码树单元的比特分配权重为当前待编码编码树单元分配目标比特数，具体包括：

14、根据当前待编码帧的剩余比特预算和当前待编码编码树单元的比特分配权重，采用公式为当前待编码编码树单元分配目标比特数；其中，tctu为当前待编码编码树单元的目标比特数，tpic-bith-codedpic为当前待编码帧的剩余比特预算，tpic为当前待编码帧的目标比特数，bith为编码帧头信息所需的比特数，codedpic为当前待编码帧中已编码编码树单元消耗的比特数，表示对当前待编码帧中所有未编码编码树单元的比特分配权重求和，ωctu为编码树单元的比特分配权重，ωctucurr为当前待编码编码树单元的比特分配权重。

15、可选地，根据当前待编码编码树单元的目标比特数和编码树单元级r-λ模型计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，具体包括：

16、根据当前待编码编码树单元的目标比特数，采用编码树单元级r-λ模型计算编码树单元级的拉格朗日乘子；其中，λctu为编码树单元级的拉格朗日乘子，tctu为当前待编码编码树单元的目标比特数，m为编码树单元的宽度，n为编码树单元的高度，αctu和βctu均为编码树单元级r-λ模型的参数；

17、根据编码树单元级的拉格朗日乘子，采用公式qpctu＝a·log(λctu)+b计算编码树单元级的量化参数；其中，qpctu为编码树单元级的量化参数，a和b均为与视频编码器有关的参数。

18、可选地，根据当前待编码编码树单元的目标比特数和编码树单元级r-λ模型计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，并对当前待编码帧进行编码，之后还包括：

19、根据编码后的码率和失真更新帧级r-λ模型和编码树单元级r-λ模型的参数；

20、根据编码树单元级的拉格朗日乘子，采用公式计算帧级平均拉格朗日乘子；其中，λave为帧级平均拉格朗日乘子，表示对当前待编码帧中所有编码树单元的拉格朗日乘子求和，λctu为编码树单元级的拉格朗日乘子，nctu为一帧中包含的编码树单元个数；

21、根据编码树单元级的量化参数，采用公式计算帧级平均量化参数；其中，qpave为帧级平均量化参数，表示对当前待编码帧中所有编码树单元的量化参数求和，qpctu为编码树单元级的量化参数。

22、可选地，根据前一已编码帧的帧级平均拉格朗日乘子和帧级平均量化参数对当前待编码帧进行预编码以获得像素块的失真传播因子，具体包括：

23、根据前一已编码帧的帧级平均拉格朗日乘子和帧级平均量化参数，采用固定mblock×mblock尺寸像素块对当前待编码帧进行帧间预测编码；其中，mblock为像素块的边长；

24、采用公式计算mblock×mblock尺寸像素块的失真传播因子；其中，φ为像素块的失真传播因子，ngop为一个图像组中包含的帧数，i为帧的序号，dblock为预编码后像素块的编码失真，为预编码过程中像素块的运动补偿预测误差。

25、可选地，根据像素块的失真传播因子和帧级的拉格朗日乘子计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，具体包括：

26、根据像素块的失真传播因子，采用公式计算像素块的权重系数；其中，为像素块的权重系数，φ为像素块的失真传播因子；

27、根据像素块的权重系数，采用公式和计算像素块的拉格朗日系数；其中，为一帧中所有像素块权重系数的算术平均值，表示一帧中所有像素块的权重系数求和，nblock为一帧中包含的像素块个数，ω是像素块的拉格朗日系数；

28、根据像素块的拉格朗日系数和帧级的拉格朗日乘子，采用公式计算编码树单元级的拉格朗日乘子；其中，λctu为编码树单元级的拉格朗日乘子，λpic为帧级的拉格朗日乘子，表示对一个编码树单元级中所有像素块的拉格朗日系数求和，lblock为一个编码树单元级中包含的像素块个数；

29、根据编码树单元级的拉格朗日乘子，采用公式qpctu＝a·log(λctu)+b计算编码树单元级的量化参数；其中，qpctu为编码树单元级的量化参数，a和b均为与视频编码器有关的参数。

30、可选地，根据像素块的失真传播因子和帧级的拉格朗日乘子计算编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，并对当前待编码帧进行编码，之后还包括：

31、根据编码后的码率和失真更新帧级r-λ模型的参数。

32、第二方面，本技术提供一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述任一项所述的考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法。

33、根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：

34、本技术提供一种考虑率失真依赖关系的视频编码码率控制方法及设备，通过预编码获得关键帧中不同像素块的失真传播因子，并用于调节关键帧中编码树单元级的拉格朗日乘子和量化参数，从而把率失真依赖性结合进码率控制算法，在确保视频编码器输出指定码率的前提下，显著提升了视频编码器率失真性能。