CN1568008A - 利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种动态影像压缩位元率控制方法及装置，于画面层级利用估计的初始量化位阶来进行位元分配。根据本发明，以目前画面其预先分析的活动量以及同型态的先前编码画面其实际复杂度之间的关系，分配目标位元额度给即将被编码的目前画面，一旦决定了目标位元额度，便根据目前画面的全活动量、目标位元额度以及同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，来决定目前画面编码之用的平均量化位阶初始值。在既定的位元配额的条件下，利用上述的平均量化位阶初始值，将可获得较高的画面品质。

Description

利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制方法及装置

技术领域

本发明有关于数据压缩的领域，特别指一种适用于视讯编码系统以估计的初始量化位阶执行位元率控制的方法及装置。

背景技术

众所周知，电子通讯世界正经历一次数字革命，以数字表示信息的主要优点在于能够几近无误地储存、再生、传收、处理及运用的数据比特流(bitstream)。举例而言，NTSC的彩色视讯影像每秒有29.97张画面，每张画面约480条可见扫瞄线，每条扫瞄线约需480点以红、绿、蓝三色呈现的像素(pixel)，但若每种色彩成分以8位编码，则所产生的位率(bitrate)每秒约168兆位(Mbits/s)，故各种视讯格式其未经压缩处理的位率是非常高而不经济，因此不适于多数的应用。

与计算机、电信网络、消费性产品整合的数字音讯和视讯，更加刺激信息革命的前进，而这革命的核心则是视、音讯的数字压缩技术。许多的压缩标准，包含以压缩技术共通的精髓为基础的算法，如：ITU-T(前身为CCITT)建议书H.261和H.263，以及ISO/IEC的MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4标准。MPEG的算法是由动态影像专家群组(Moving Picture Experts Group，MPEG)所发展出来，该动态影像专家群组为国际标准组织(International Standards Organization，ISO)及国际电子技术委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)的联合技术委员会，致力于发展视、音讯的压缩及多路传殊的表现方式，这些标准规定了压缩比特流的语法(syntax)以及译码的方法，但对于编码器所使用的算法而言，却为编码的新颖性与多样性保留了相当多的自由度。

根据MPEG，一连串的视讯画面(picture)分成一序列的画面群组(group ofpicture，GOP)，其中每组GOP以I-画面开始，后面跟着P-画面和B-画面的安排，图1以显示的顺序说明一组典型的GOP。I-画面的编码毋须参考先前或将来的画面，P-画面则参考连串的视讯画面中在时间上最接近的I-画面或P-画面来进行编码，而B-画面散布于I-画面和P-画面之间。并且利用先前的、将来的或两者兼具的紧邻I-画面和P-画面来编码。虽然好几张B-画面可以紧接着连续出现，但绝不能以B-画面预估其它的画面。

每张画面具有三种成分：亮度值(luminance，以Y表示)，红色差值(redcolor difference，以Cr表示)，以及蓝色差值(blue color difference，以Cb表示)。对于MPEG的4:2:0的格式而言，每一种Cr和Cb成分的取样点在水平与垂直方向只有Y成分的一半。如图2所示，一张MPEG的画面其基本构成方块为大区块(macroblock，以MB表示)。以4:2:0的视讯为例，每个MB包含一个Y成分16×16取样点的数组，以及两个Cr和Cb成分8×8取样点的区块，其中Y成分16×16取样点的数组实际上由4个8×8取样点的区块所组成。

编码器的作用在于决定何种画面编码型态以及何种预测模式为最佳。对每张I-画面，MB中的每个8×8方块均经过离散余弦转换(discrete cosinetransform，DCT)而形成8×8转换系数数组，转换系数接着以一量化矩阵进行量化，然后用Z字形(zig-zag)扫瞄DCT系数的量化结果而得到一连串的DCT系数，并且此DCT系数序列以可变长度码(variable length code，VLC)进行编码。P-画面必须决定将每个MB以I型MB或P型MB进行编码，I型MB的编码以上述的方式为之，而对于每个P型MB，则需得到该MB以先前画面所做的预测，此预测由一种移动向量(motion vector)获得，移动向量象征着目前画面中即将编码的MB及其在先前画面中的预估MB之间的变动，预估MB与目前MB间的预测误差则以DCT、量化、Z字形扫瞄以及VLC进行编码。

处理B-画面时，必须决定以下列何种MB模式来编码每个MB：I模式、F模式、B模式以及FB模式。I模式以MB本身而不借助移动补偿来编码(如I型MB一般)；F模式为单向的向前预测编码，以先前画面得到移动补偿的预估(如P型MB一般)；反之，B模式为单向的向后预测编码，以后来的画面得到移动补偿的预估。特别的是FB模式，其为双向的预测编码，运用向前的和向后的移动补偿预估两者来做内插(interpolation)而得到FB模式的移动补偿预估。对F、B和FB模式而言，预测误差可以使用DCT、量化、Z字形扫瞄以及VLC进行编码。

视讯编码器很重要的一点即为位元率的控制。位元率控制的主要目的为很有智能地分配编码每张画面及其中每个MB所用的位元数，使编码过的视讯于译码器进行译码时，能尽可能的提高编码视讯的视觉品质。编码器必须为整张画面选取量化位阶以便在给定的位元率下控制可见的失真，然而，以选取的量化位阶编码一张画面所用的实际位元数，必然是在实际编码之后才会得知，现实中并不存在一个逆转函数，能够在给定希望达到的量化位阶下，决定一张画面所用的实际位元数。MPEG的关键特征则采用适应性(或是可变的)量化方式，这种技术允许每张画面中的不同区域以不同的程度编码，而使每张画面内及不同的画面间达到平均一致的视觉品质。不过，传统的位元率控制方法却相当复杂，通常需进行好几次才能完成视讯编码的处理，除此之外，先前的技术欠缺一种适应性量化方式可以运用的简单机制，用于设定初始量化位阶而让画面品质更为平均。

发明内容

本发明提供一种利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制技术，可用于单次、实时的视讯编码器，再者，亦期待能提供一种位元率控制方法及装置，于画面层级利用估计的初始量化位阶来进行位元分配压缩动态影像。

根据本发明，每一张画面其目标位元的分配，基于先前画面的编码结果和对即将被编码的目前画面其预先分析的活动量，一旦目标位元分配好之后，则平均量化位阶的初始值也随之决定。由目前画面的预先分析的活动量以及先前编码画面的实际复杂度间的关系，目前画面的复杂度将能够被估计而得，这种预估的目前画面复杂度对视讯编码器是非常有用的，可以更精确地分配目标位元额度给每张画面。再者，利用上述的平均量化位阶初始值，视讯编码器在既定的位元配额条件下，可输出较佳的画面品质。

本发明针对于一种利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制方法。首先为一即将被编码的目前画面来计算其全活动量，其中该目前画面在一视讯序列的一组连续画面之中；接着基于目前画面的全活动量以及这组连续画面中同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，估计目前画面的复杂度，并且以目前画面预估的复杂度更新本组连续画面的瞬间复杂度；目前画面的目标位元额度的分配，依预估的复杂度以及瞬间复杂度而定；用来编码目前画面的平均量化位阶初始值，则可根据目前画面的全活动量、目标位元额度以及同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比来决定；因此，基于平均量化位阶初始值，对视讯序列中的目前画面进行编码。在目前画面编码之后，根据目前画面的全活动量、目前画面的实际消耗位元数和目前画面的平均量化位阶，计算目前画面其活动量对复杂度之比，就这点而言，目前画面的活动量对复杂度之比与目前画面的全活动量成正比，而与目前画面的实际消耗位元数以及平均量化位阶成反比。

另一方面，本发明还揭露一种利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制装置，包括一移动估算单元、一复杂度估计器、一配额分派器、一量化位阶估计器以及一参数更新器。移动估算单元接收视讯序列里的一组连续画面中即将被编码的目前画面，用来在执行移动估算的区块匹配时，计算此目前画面的全活动量。基于目前画面的全活动量以及这组连续画面中同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，复杂度估计器可因此用来估计目前画面的复杂度。以目前画面预估的复杂度，配额分派器更新本组连续画面的瞬间复杂度，且根据预估的复杂度以及瞬间复杂度，分配目标位元额度给目前画面。用来编码目前画面的平均量化位阶初始值，则由量化位阶估计器以目前画面的全活动量、目标位元额度以及同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比为基础来决定。而参数更新器根据目前画面的全活动量、目前画面的实际消耗位元数和目前画面的平均量化位阶，计算目前画面其活动量对复杂度之比，其中，目前画面的活动量对复杂度之比与目前画面的全活动量成正比，而与目前画面的实际消耗位元数以及平均量化位阶成反比。

附图说明

图1以显示的顺序呈现典型的画面群组(GOP)；

图2为MPEG的大区块；

图3为本发明较佳实施例的位元率控制装置的方块示意图；以及

图4为本发明的操作流程图。

图号说明

300     动态影像视讯编码器    310    移动估算单元

312     讯号线                320    复杂度估计器

330     配额分派器            340    参数更新器

350     量化位阶估计器        360    影像编码器

P⁽ⁱ⁾   画面                   A⁽ⁱ⁾  全活动量

C_est ⁽ⁱ⁾预估复杂度             ACR⁽ⁱ⁾活动量对复杂度之比

EB      超用位量               TB⁽ⁱ⁾ 目标位元额度

AQ⁽ⁱ⁾  平均量化位阶           UB⁽ⁱ⁾ 实际消耗位元数

Q_est ⁽ⁱ⁾平均量化位阶初始值     CD     编码后的数据

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

一开始，预测用的I-画面和P-画面必须先在MPEG编码器内译码，利用计算原始画面及译码的画面间的均方根(root mean square)误差，可以得到译码画面其品质的客观量度。以均方根误差作为解码画面的失真度，则解码画面的复杂度(complex)-C定义如下：

C＝r×d

其中，r系编码该画面所需的位元率，d系译码的画面的失真度。理论上，平均的量化位阶(quantization step size)和失真度之间为一比例关系，故，画面的复杂度可定义成：

$C\≈\frac{r\×q}{2}$

其中，q系该画面的平均量化位阶。在画面编码之后，将可得知位元率(实际消耗位数)以及平均量化位阶，而该画面的复杂度亦因此获得。

画面的复杂度端视画面的本质及其编码的形式而定。先前技术利用最近编码画面的复杂度来表示目前画面的复杂度，并且为I-、P-及B-画面分别保持其复杂度以减轻不同编码形式的影响，倘若视讯序列的画面其内容为平顺的变化，则此方式可达到相当不错的效果。然而，由于画面编码的目标位元配额与其实际消耗位元数之间不相符合，如果视讯序列的内容大幅变动，上述方式并不适合用来达成一致的视觉品质。

根据本发明，预先分析目前画面的活动量(activity)以及先前编码画面的实际复杂度之间的关系，目前画面的复杂度将能由此预估。活动量为一种在画面编码后其位元率和品质的量度尝试，假设一整张画面的全活动量A正比于复杂度C，则

$A=k\×C\≈\frac{k}{2}\×r\×q=k^{\′}\×r\×q$

其中，k系比例常数。若k′为活动量对复杂度之比(activity-to-complexity ratio，ACR)，则全活动量A还可以下列式子表示：

A＝ACR×r×q

根据本发明，可以从相同型态的先前编码画面来预估ACR。观念上，先在编码一张画面前计算其全活动量A，然后，即将被编码的画面P⁽ⁱ⁾的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾以如下方式估算：

$C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{ACR}}^{(i-1)}}$

其中，A⁽ⁱ⁾系画面P⁽ⁱ⁾的全活动量，ACR^(i-l)系同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比。以下，在符号或变量中的上标⁽ⁱ⁾表示该符号或变量与即将被编码的目前画面有关；同理，在符号或变量中的上标^(i-l)则与先前编码画面相关。

估计的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾可用来为合适型态的画面更新其复杂度，所以三种型态的画面其复杂度C_I、C_P和C_B将分别储存以利后续的处理。一组连续画面的瞬间复杂度(instantaneous complexity)亦以如下方式更新：

INST_C＝N_I×C_I+N_P×C_P+N_B×C_B

其中，N_I、N_P和N_B分别是该组连续画面中I-、P-及B-画面之数目，而且此处所指的一组连续画面至少包含一组GOP。一旦瞬间复杂度INST_C已经决定，则目前画面P⁽ⁱ⁾之目标位额度TB⁽ⁱ⁾为

${\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}=\frac{C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}}{\mathrm{INST}\_C}\×R_{\mathrm{eff}}$

其中，R_eff系一组连续画面的有效位用量。由上式可知，目标位额度TB⁽ⁱ⁾系与复杂度C_est ⁽ⁱ⁾成正比，而与瞬间复杂度INST_C成反比。

所有的MPEG-2数据比特流均必须遵循MPEG-2标准的视讯缓冲器检验者(Video Buffer Verifier，VBV)规则，分配的目标额度必须受限以使VBV缓冲器不会满溢(overflow)或匮乏(underflow)。原本只有在编码后才能得到目前画面P⁽ⁱ⁾之平均量化位阶，则能于目标位元额度TB⁽ⁱ⁾决定之后予以估计，根据本发明，目前画面P⁽ⁱ⁾其预估的平均量化位阶如下：

$Q_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{ACR}}^{(i-1)}}$

其中，Q_est ⁽ⁱ⁾系当做平均量化位阶之初始值。藉助这个平均量化位阶之初始值Q_est ⁽ⁱ⁾，视讯编码器能在既定的位元额度TB⁽ⁱ⁾下，输出较佳的画面品质。当目前画面之目标位元额度及量化位阶初始值决定好后，便可利用许多不同型态的影像编码器，像是MPEG-2标准描述的测试原型5(Test Model 5)，根据目标位元额度来完成画面的压缩。

目前画面在完成编码之后，其实际的复杂度将可得知，而目前画面的全活动量和实际复杂度之间的关系，ACR⁽ⁱ⁾可从以下计算得到

${\mathrm{ACR}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{AQ}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{UB}}^{\left(i\right)}}$

其中，ACR⁽ⁱ⁾与全活动量A⁽ⁱ⁾成正比，而与目前画面的实际消耗位元数UB⁽ⁱ⁾以及平均量化位阶AQ⁽ⁱ⁾成反比。此ACR⁽ⁱ⁾可拿来预估下一张同型态的画面之复杂度。ACR⁽ⁱ⁾可以和ACR^(i-l)做线性结合来避免受到那些富含噪声画面的影响。

本发明的单次(single-pass)视讯编码可由图3的较佳实施例并配合图4的操作流程图来解释。如图3所示，动态影像视讯编码器300包括一移动估算单元310、一复杂度估计器320、一配额分派器330、一参数更新器340、一量化位阶估计器350以及一影像编码器360。移动估算单元310接收视讯序列里的一组连续画面中即将被编码的目前画面P⁽ⁱ⁾，用来在执行移动估算的区块匹配时，计算此目前画面P⁽ⁱ⁾的全活动量A⁽ⁱ⁾(步骤S410)。基于全活动量A⁽ⁱ⁾以及这组连续画面中同型态的先前编码画面其ACR^(i-l)，复杂度估计器320可用来估计目前画面的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾(步骤S420)。配额分派器330以预估的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾更新本组连续画面其瞬间复杂度INST_C，并且根据C_est ⁽ⁱ⁾以及INST_C分配目标位额度TB⁽ⁱ⁾给目前画面P⁽ⁱ⁾(步骤S430)。用来编码目前画面P⁽ⁱ⁾的平均量化位阶初始值Q_est ⁽ⁱ⁾，则由量化位阶估计器350以全活动量A⁽ⁱ⁾、目标位元额度TB⁽ⁱ⁾以及活动量对复杂度的比ACR^(i-l)为基础来决定(步骤S440)。在本实施例中，影像编码器360基于初始值Q_est ⁽ⁱ⁾以适应性量化方式编码目前画面P⁽ⁱ⁾，并且在完成后，回报实际消耗位元数UB⁽ⁱ⁾以及平均量化位阶AQ⁽ⁱ⁾给参数更新器340(步骤S450)。以全活动量A⁽ⁱ⁾、实际的消耗位元数UB⁽ⁱ⁾和实际的平均量化位阶AQ⁽ⁱ⁾为基础，参数更新器340为目前画面P⁽ⁱ⁾计算其活动量对复杂度之比ACR⁽ⁱ⁾(步骤S460)。

在等效上，图3的较佳实施例可考量以硬件以及/或是软件来实现。根据本发明，移动估算单元310和图3中的其它组件可以管线(pipeline)模式运作，在复杂度估计器320开始计算目前画面的复杂度之前，移动估算单元310必须先完成即将被编码的目前画面其全活动量的计算以及移动向量的估算，并且，当移动估算单元310为下张画面作准备时，复杂度估计器320和其它组件仍正忙于完成所有与目前画面相关的运作。接下来将详细地描述较佳实施例中的每个组件。

移动估算单元310的主要目的之一为决定用何种预测模式来编码一张画面里的每个MB，如果必要的话，亦进行向前和向后的移动预测，还可从区块匹配运算中提取画面活动量的信息。首先，计算每个MB的自身活动量(intra-activity)，将一个MB中4个8×8亮度值区块的像素强度以Y_m，n，m＝0，...，7，n＝0，...，7来表示，并且每个8×8区块其平均值为Y，则每个MB之内活动量IntraAct：

$\mathrm{IntraAct}=\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_k$

其中

${\mathrm{\σ}}_k=\sqrt{\underset{m=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_{m,n}-\stackrel{\‾}{Y})}^2}$

倘若需要较低的计算复杂度，可以相对Y的绝对差值代替：

$\mathrm{IntraAct}=\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_k$

其中

${\mathrm{\Δ}}_k=\underset{m=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}|Y_{m,n}-\stackrel{\‾}{Y}|$

由于I-画面中的MB仅有一种模式：I模式，因此IntraAct即为I-画面的每个MB的活动量。

如果画面为P-或B-画面，则需进行移动估算。最常使用来发现最佳移动向量的技术系区块匹配。对非自身编码(nonintra coding)而言(如P-和B-画面)，利用将失真标准如变异数或失真绝对值和减至最低，来选择向前、向后、双向的预测或不需移动补偿。一旦P-或B-画面中每个MB之MB模式决定，在每个移动补偿的差值MB中4个8×8区块的变异数亦可求得，移动补偿的差值MB系待处理MB和预估MB间像素对像素之差；失真绝对值和通常具有较佳的计算效率，因此可用来取代变异数。将4个8×8区块之变异数或失真绝对值和相加以求得非内编码画面中每个MB之相互活动量(inter-activity)，InterAct，然后把非内编码画面中每个MB之IntraAct及其InterAct拿来作比较，以判断InterAct是否较小，若是，则以InterAct作为该MB之活动量，并以相互模式(inter-mode)编码该MB；否则以IntraAct作为该MB之活动量，并以自身模式(intra-mode)编码该MB。最后，对目前的I-、P-或B-画面，将所有MB之活动量相加而得全活动量A⁽ⁱ⁾，移动估算单元310再把全活动量A⁽ⁱ⁾传送给复杂度估计器320、参数更新器340以及量化位阶估计器350。

接着，复杂度估计器320为某型态的目前画面P⁽ⁱ⁾估算其复杂度，且依照三种画面型态，引进加权系数至预估的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾。因为绝不能以B-画面预估其它的画面，故可减少B-画面的加权系数以分配较少的位元给B-画面而保留较多的位元给I-和P-画面；一般而言，编码I-画面会产生最多的位元，因此P-画面的加权系数又小于I-画面的加权系数。复杂度估计器320根据目前画面的型态更新复杂度C_I、C_P或C_B三者其中之一，目前画面P⁽ⁱ⁾的复杂度C_est ⁽ⁱ⁾以如下方式估算：

if(I-画面)

$C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=C_I=K_I\×\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{ACR}}_I^{(i-1)}}$

else if(P-画面)

$C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=C_P=K_P\×\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{ACR}}_P^{(i-1)}}$

else if(B-画面)

$C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=C_B=K_B\×\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{ACR}}_B^{(i-1)}}$

其中，ACR_I ^(i-l)、ACR_P ^(i-l)及ACR_B ^(i-l)系一组连续画面中，I、P和B型态的先前编码画面各自的活动量对复杂度之比。这些ACR_I ^(i-l)、ACR_P ^(i-l)和ACR_B ^(i-l)存放在参数更新器340之中，而复杂度估计器320会为适当型态的先前画面读取对应的活动量对复杂度之比。K_I、K_P及K_B分别系I-、P-和B-画面之加权系数，其范围一般是在0到1.0之间。至于I-画面，较佳实施例可以采用K_I＝1.0。

当收到C_est ⁽ⁱ⁾之时，配额分派器330为该组连续画面更新其瞬间复杂度INST_C且分配目标位元额度TB⁽ⁱ⁾给目前画面P⁽ⁱ⁾，瞬间复杂度INST_C的更新如下：

INST_C＝N_I×C_I+N_P×C_P+N_B×C_B其中，N_I、N_P和N_B分别是本组连续画面中I-、P-及B-画面之数目。再者，目前画面P⁽ⁱ⁾之目标位元额度TB⁽ⁱ⁾为

${\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}=\frac{C_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}}{\mathrm{INST}\_C}\×\frac{n}{f}\×R$

其中，n系本组连续画面之画面数，f系每秒画面数，即：图帧率(frame rate)，R则系每组连续画面之期望平均位元率。然而，实际的消耗位元数并不会和期望的位元额度刚好相等，因此发展一种回授策略来使画面实际消耗的位元数接近于目标位元额度，在较佳实施例中，编码至目前为止的超用位量，可由正在编码的目前画面摊还一部份：

TB⁽ⁱ⁾＝TB⁽ⁱ⁾-AR×EB其中，EB系参数更新器340传来的超用位元量，AR则为既定的摊还率，其范围一般是在0.05到0.2之间。配额分派器330须调整目标位元额度TB⁽ⁱ⁾以符合VBV规范，所以还定下额度的上限(U-bound)及下限(L_bound)。就固定位率(constant bitrate，CBR)的操作而言，分配给一张画面的目标位元额度须使VBV缓冲器不会满溢或匮乏，因此目标位元额度TB⁽ⁱ⁾限制在上、下限范围内：

if(TB⁽ⁱ⁾＞U_bound)then TB⁽ⁱ⁾＝U_bound

if(TB⁽ⁱ⁾＜L_bound)then TB⁽ⁱ⁾＝L_bound若是可变位元率(variable bitrate，VBR)的操作，则只要防止VBV匮乏即可，故：

if(TB⁽ⁱ⁾＞U_bound)then TB⁽ⁱ⁾＝U_bound然后，目标位元额度TB⁽ⁱ⁾会被传送到参数更新器340、量化位阶估计器350以及影像编码器360。

一旦目标位元额度TB⁽ⁱ⁾决定好之后，量化位阶估计器350即可为目前画面P⁽ⁱ⁾预估其编码所需的平均量化位阶初始值Q_est ⁽ⁱ⁾。用来量化一特定型态的目前画面P⁽ⁱ⁾之初始值Q_est ⁽ⁱ⁾以如下方式估算：

if(I-画面)

$Q_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{ACR}}_I^{(i-1)}}$

else if(P-画面)

$Q_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{ACR}}_P^{(i-1)}}$

else if(B-画面)

$Q_{\mathrm{est}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{TB}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{ACR}}_B^{(i-1)}}$

接着将平均量化位阶初始值Q_est ⁽ⁱ⁾传给影像编码器360。由对画面中每一空间区域其量化位阶的适应性改变，本实施例的视讯编码器300采用虚拟缓冲器(virtual buffer)以提供位元率控制的回授机制，由于虚拟缓冲器及适应性量化对熟悉此技艺者而言，乃为习知技术，因此不再做赘述。虚拟缓冲器的利用状况(occupancy)控制了量化位阶，从而控制了位元率，然而，虚拟缓冲器必须指定一个初始的利用状况方能运作，并且虚拟缓冲器的利用状况也反应了用来编码每一空间区域的量化位阶，所以虚拟缓冲器的利用状况不仅控制了量化位阶的初始值，亦在给定位元率的条件下，控制了视觉品质。

在初始值Q_est ⁽ⁱ⁾的帮助之下，影像编码器360可以让视讯序列中的画面品质更为一致。透过讯号线312，影像编码器360从移动估算单元310接收画面数据以及每个MB之移动向量和MB模式。为了在给定位元额度TB⁽ⁱ⁾的情形下，尽可能的减少可见的失真，影像编码器360依据平均量化位阶初始值Q_est ⁽ⁱ⁾来决定编码目前画面的每个MB所用之量化位阶，以这些数据为基础，影像编码器360开始对目前画面P⁽ⁱ⁾进行编码且输出编码后的数据CD。在目前画面P⁽ⁱ⁾编码之后，影像编码器360将量化位阶做平均并且计算实际消耗位元数UB⁽ⁱ⁾，再回报目前画面的UB⁽ⁱ⁾以及平均量化位阶AQ⁽ⁱ⁾给参数更新器340。

画面P⁽ⁱ⁾之目标位元额度TB⁽ⁱ⁾以及实际消耗位元数UB⁽ⁱ⁾间的差距，会由参数更新器340做累计以便在画面P⁽ⁱ⁾编码之后得到超用位元量EB：

EB＝EB×(1-AR)+UB⁽ⁱ⁾-TB⁽ⁱ⁾其中，AR系既定的摊还率。因此，活动量和实际复杂度之间的关系，ACR⁽ⁱ⁾，可从以下计算得到

${\mathrm{ACR}}^{\left(i\right)}=\frac{A^{\left(i\right)}}{{\mathrm{AQ}}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{UB}}^{\left(i\right)}}$

此ACR⁽ⁱ⁾可用来预估同型态的下张画面之复杂度。为使ACR⁽ⁱ⁾不会受到富含噪声画面的影响，较佳实施例利用了ACR⁽ⁱ⁾和ACR^(i-l)的线性组合，例如：

if(I-画面)

${\mathrm{ACR}}_I^{\left(i\right)}={\mathrm{ACR}}_I^{(i-1)}\×(1-\mathrm{CW})+{\mathrm{ACR}}^{\left(i\right)}\×\mathrm{CW}$

else if (P-画面)

${\mathrm{ACR}}_P^{\left(i\right)}={\mathrm{ACR}}_P^{(i-1)}\×(1-\mathrm{CW})+{\mathrm{ACR}}^{\left(i\right)}\×\mathrm{CW}$

else if (B-画面)

${\mathrm{ACR}}_B^{\left(i\right)}={\mathrm{ACR}}_B^{(i-1)}\×(1-\mathrm{CW})+{\mathrm{ACR}}^{\left(i\right)}\×\mathrm{CW}$

其中，CW系线性组合既定之加权系数。更新过的ACR_I ⁽ⁱ⁾、ACR_P ⁽ⁱ⁾及ACR_B ⁽ⁱ⁾会被传送到复杂度估计器320以及量化位阶估计器350，以便为下一张适当型态的画面分别估算其复杂度和量化位阶之初始值，此外，超用位元量EB则送至配额分派器330作为位分配之用。

虽然本发明已以一具体实施例揭露如上，然其仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限定于该实施例，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1、一种利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，至少包含下列步骤：

为一即将被编码的目前画面而计算一全活动量，该目前画面在一视讯序列的一组连续画面之中；

基于该目前画面的该全活动量以及该组连续画面中之一同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，估计该目前画面之一复杂度；

以该目前画面预估的该复杂度更新该组连续画面之一瞬间复杂度；

依据该估计复杂度以及该瞬间复杂度，分配一目标位元额度给该目前画面；

基于该目前画面的该全活动量、该目前画面的该目标位元额度以及该同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，决定用来编码该目前画面之一平均量化位阶初始值；

根据该平均量化位阶初始值，对该视讯序列中的该目前画面进行编码；以及

在编码该目前画面之后，根据该目前画面的该全活动量、该目前画面的实际消耗位元数和该目前画面的平均量化位阶，计算该目前画面其活动量对复杂度之比；

其中，该目前画面的该活动量对复杂度之比与该目前画面的该全活动量成正比，而与该目前画面的实际消耗位元数以及该目前画面的平均量化位阶成反比。

2、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，更至少包含下列步骤：

执行上述目前画面其活动量对复杂度之比和上述同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比两者间的一线性组合运算。

3、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，在上述目前画面进行移动估算时对上述目前画面的上述全活动量进行计算。

4、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，上述估计复杂度的步骤依据一方程式进行计算：

$C_{\mathrm{est}}=K\×\frac{A}{\mathrm{ACR}}$

其中，C_est为上述目前画面预估的上述复杂度，K为一既定的加权值，其范围在0到1之间，A为上述一组连续画面中的上述目前画面的上述全活动量，ACR为上述同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比。

5、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，上述分配的目标位元额度与上述目前画面的上述复杂度成正比，而与上述一组连续画面的上述瞬间复杂度成反比。

6、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，上述平均量化位阶初始值由下列函数决定：

${\mathrm{MQ}}_{\mathrm{est}}=\frac{A}{\mathrm{TB}\×\mathrm{ACR}}$

其中，MQ_est代表上述平均量化位阶初始值，A为上述一组连续画面中的上述目前画面的上述全活动量，TB为上述目前画面的上述目前画面的上述目标位额度，ACR为上述同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比。

7、如权利要求1所述的动态影像压缩位元率控制方法，其特征在于，上述一组连续画面至少包含一画面群组，且该画面群组符合MPEG视讯标准。

8、一种利用初始量化位阶预估的动态影像压缩位元率控制装置，其特征在于，至少包含：

一移动估算单元，接收一视讯序列里的一组连续画面中即将被编码之一目前画面，用来在执行移动估算的区块匹配时，计算该目前画面之一全活动量；

一复杂度估计器，基于该目前画面的该全活动量以及该组连续画面中一同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比，用来估计该目前画面之一复杂度；

一配额分派器，以该目前画面预估的该复杂度更新该组连续画面之一瞬间复杂度，用来根据该估计复杂度以及该瞬间复杂度，分配一目标位元额度给该目前画面；

一量化位阶估计器，以该目前画面的该全活动量、该目前画面的该目标位元额度以及该同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比为基础，决定用来编码该目前画面之一平均量化位阶初始值；以及

一参数更新器，以该目前画面的该全活动量、该目前画面的实际消耗位元数和该目前画面的平均量化位阶为基础，计算该目前画面其活动量对复杂度之比；

其中，该目前画面的该活动量对复杂度之比与该目前画面的该全活动量成正比，而与该目前画面消耗的位元数以及该目前画面的平均量化位阶成反比。

9、如权利要求8所述的动态影像压缩位元率控制装置，其特征在于，上述参数更新器还执行上述目前画面其活动量对复杂度之比和上述同型态的先前编码画面其活动量对复杂度之比两者间的一线性组合运算。

10、如权利要求8所述的动态影像压缩位元率控制装置，其特征在于，更至少包含一影像编码器，根据上述平均量化位阶初始值来对上述目前画面进行编码，且将上述目前画面的实际消耗位元数以及上述目前画面编码所用的平均量化位阶回报给上述参数更新器。

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