TWI221741B - Method and apparatus for rate control in moving picture video compression - Google Patents

Description

1221741 五、發明說明（2) 聯合技術委員會，致力於發展視、音訊的壓縮及多路傳殊 的表現方式，這些標準規定了壓縮位元流的語法（syntax) 以及解碼的方法，但對於編碼器所使用的演算法而言，卻 為編碼的新穎性與多樣性保留了相當多的自由度。 根據MPEG，一連串的視訊晝面（picture)分成一序列 的畫面群組（group of picture，GOP)，其中每組GOP以I-晝面開始，後面跟著P -晝面和B -晝面的安排，第1圖以顯 示的順序說明一組典型的G0P。I -晝面之編碼毋須參考先 刖或將來的晝面，P -畫面則參考連串的視訊晝面中在時間 上最接近的I -晝面或P-畫面來進行編碼，而B—晝面散佈於 I -晝面和P-畫面之間。並且利用先前的、將來的或兩者兼 具的緊鄰I -晝面和P-晝面來編碼。雖然好幾張B_晝面可以 緊接著連續出現，但絕不能以B-畫面預估其他的晝面。 母張畫面具有三種成分：亮度值（luminance，以γ表 示）’紅色差值（red color difference，以Cr表示），以 及藍色差值（blue color difference，以Cb表示）。對於 Μ P E G的4 : 2 : 0的格式而言，每一種c r和c b成分的取樣點在 水平與垂直方向只有γ成分的一半。如第2圖所示，一張 MPEG的畫面其基本構成方塊係大區塊（macr〇bl〇ck，以㈣ 表示）°以4 ·· 2 ·· 〇的視訊為例，每個MB包含一個γ成分16χ16 取樣點的陣列’以及兩個C r和C b成分8 X 8取樣點的區塊， 其中Y成分16x16取樣點的陣列實際上由4個8x8取樣點的區 塊所組成。 編碼器的作用在於決定何種晝面編碼型態以及何種預

0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 第7頁 1221741 五、發明說明（3) 測模式為最佳。對每張卜晝面，MB中的每個8x8方塊均經 過離散餘弦轉換（discrete cosine transform，DCT)而形 成8x8轉換係數陣列，轉換係數接著以一量化矩陣進行量 化，然後用Z字形（Zig-Zag)掃瞄DCT係數的量化結果而得 到一連串的DCT係數，並且此DCT係數序列以可變長度碼 (^ari able length code，VLC)進行編碼。P-畫面必須決 定將每個MB以I型MB或P型MB進行編碼，I型MB的編碼係二 ，方式為之，而對於每個P_，則需得到；= 則畫面所做之預測，此預測係藉由一種移動向量（mo 先别畫面中的預估ΜΒ之間的變動，預估ΜΒ

間的預測誤差則以DCT、量化、ζ丰带产 ，、目月j MB 碼。 里化Z子形知瞄以及VLC進行編 處理B-畫面時，必須決定以下 個〇 模式、F模式、B模式以及”模，=來編碼每 身而不借助移動補償來編碼（如！型仙'一 ^式係以MB本 的向前預測編碼，係、以先前畫 ^ ’莫式為單向 型MB-般）；反之，B模式二動補仏的預估（如p 來的畫面得到移動補償的預# :特广編碼，係以後 向的預測編碼’運用向前的孩=B模式，其係雙 做内插（inter_tion)而得到的移動補償預估兩者來 ^ B F B „ ^ ^ 0 形掃瞄以及VLC進行編碼。 使用DCT、量化、2字 編碼器需要為整張晝 _ 取里化位階以便在給定的位 0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 第8頁 1221741 五、發明說明（4) 元率下控制可 量化位階編碼 中並不存在一 階下，決定一 見的失 張畫 器很重要的一 的係很有智慧 元數，使編碼 提高編碼視訊 卻相當複雜， 理。 有鑑於此 單次、即時的 像視訊屡縮的 及裝置。 -個逆轉 '張畫面 點即為 地分配 過的視 的視覺 通常需 真，然 面所用 函數， 所用的 位元率 編碼每 訊於解 品質。 進行好 而直到實 的實際位 能夠在給 實際位元 的控制。 張畫面及 碼器進行 不過，傳 幾次才能 際編碼後，以 凡數才會得知 定希望達到的 數1此，視 位元率控制之 其中每個MB所 解碼時，能儘 統的位元率控 元成視訊編媽 選擇的 ’現實 量化位 訊編碼 主要目 用的位 可能的 制方法 的處 禎：需一種新穎的位元率控制技冑 ::編碼ϋ ’再者，亦期待】： 圖摘層級ar_-level)之位元率控：:法- 【發明内容】 根據本發明，每一張查 先前畫面的編碼社果和^ ^ ^ 目標位元的分配，係基於 析的活動*，再；1f即f被編碼的目前畫面其預先分 及先前編碼晝面之實：晝：J預先分析的活動量以 度。由於畫面複雜雜度’㉟夠估計目前畫面之複雜 種預估的目前晝面：含了編碼後的品質資訊，這 以更精確地分配目=度對視訊編碼器是非常有用的，可 畫面間更平均的視；：：頜度給每張畫面，而能達到不同 0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 1221741 五、發明說明（5) 本發明係針對一接& ^ 首先為-即將被編碼的像:訊位元率控制之方法， 該目前畫面係在一視訊:！面來汁异其全活動量，其中 於目前晝面之全活動量及^ 一組連續晝面之令；接著基 編碼畫面其活動量對 /組連續晝面中同型態的先前 、，並且以目前晝面預估的2 ^比，估計目前畫面之複雜度 複雜度；目前晝面之目栌稷〃度更新本組連續晝面之瞬間 雜度以及瞬間複雜度而‘ · = f度的分配，係依預估的複 序列中的目前畫面進行編满二於目標位元額度，對視訊 目前晝面之全活動量、目;*在目前畫面編碼之後，根據 晝面之平均量化位階，^之實際消耗位元數和目前 比，就這點而言，目前書:刖畫面其活動量對複雜度之 晝面之全活動量成正比’盥活$量對複雜度之比與目前 以及平均量化位階成反比。 則畫面之貫際消耗位元數 另一方面，本發明還揭 制之裝置，包括一移動估筲抑_ 動態景> 像視訊位元率控 額分派器以及一參數更新^早=叙一複雜度估計器、一配 裡的一組連續畫面中即將被 估算單元接收視訊序列 移動估算的區塊匹配時，計算此的^前畫面，用來在執行 於目前畫面之全活動量以及這組|刖晝面之全活動量。基 編碼畫面其活動量對複雜度之比、，晝面中同型態之先前 來估計目前晝面之複雜度。以目丄複雜度估計器可因此用 額分派器更新本組連續晝面之 =面預估的複雜度，配 複雜度以及瞬間複雜度，分配L複雜度，且根據預估的 ‘位元額度給目前畫面。 第1[|頁 0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 1221741 五、發明說明（6) 參數更新器以目前晝面之全活 、 位元數和目前晝面之平均二、目前晝面之實際消耗 其活動量對複雜度之：？里化位階為基礎’計算目前晝面 【實施方式】 下文ί:本ί:之上述目的、特徵和優點能更明释易懂 :文特舉一較佳實施例’並配合所附圖式，作詳;=如 一開始’預測用的I〜書面条Ρ — 器内解碼，利用計算原始書面解；咖編瑪 (root mean square)誤差，可π本丨切s」乃很 访曰十 Γ以传到解碼晝面其品質的空 觀$度。以均方根誤差作為解 、勺各 ^ ^ 鮮碼畫面之失真度，則解碼書 面的複雜度（complex)-C定義如下· 旦

Or X d 其中’ r係編碼該畫面所需的位元率，d係解碼的晝面 之失真度理刚上’平均的量化位階（q u a n t i z a ΐ i ο n s ΐ e p s i ze )和失真度之間為一比例關係，故，畫面的複雜度可 定義成：

第11頁 1221741 五、發明說明（7) 其中’ q係該畫面的平均量化位階。在晝面編碼之後 ’將可得知位元率（實際消耗位元數）以及平均量化位階， 而該晝面的複雜度亦因此獲得。 晝面之複雜度端視畫面的本質及其編碼的形式而定。 先前技術利用最近編碼晝面之複雜度來表示目前書面之複 雜度’並且為I -、P-及B-晝面分別保持其複雜度以減輕不 同編碼形式的影響，倘若視訊序列的畫面其内容為平順的 變化，則此方式可達到相當不錯的效果。然而，由於書面 編碼的目標位元配額與其實際消耗位元數之間不相符;， 如果視訊序列的内容大幅變動，上述方式並不適合用來達 成一致的視覺品質。 根據本發明，預先分析目前晝面的活動量（a c t丨v丨^ y) 以及先前編碼畫面的實際複雜度之間的關係，目前書面之 複雜度將能藉此預估。活動量係一種在畫面編碼後其位元 率和品質的量度嘗試，假設一整張晝面的全活動量/正比 於複雜度C，則 !ζ A = kxC^ — xrxq = k*xr x a 2 ^ 其中’ k係比例常數。若k為活動量對複雜度之比 (activity-to-complexity ratio，ACR)，則全活動量八還 可以下列式子表示： " A = ACR xrxq 根據本發明’可以從相同型態的先前編碼晝面來預估 。觀念上，先在編碼一張晝面前計算其全活動量A，然後

0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 第12頁 1221741 圖式簡單說明 第1圖係以顯示的順序呈現典型的晝面群組（GOP); 第2圖係MPEG之大區塊； 第3圖係本發明較佳實施例的位元率控制裝置之方塊 示意圖；以及 第4圖係本發明之操作流程圖。 符號說明 3 0 0〜動態影像視訊編碼器； 3 1 0〜移動估算單元； 3 1 2〜訊號線； 3 2 0〜複雜度估計器； 3 3 0〜配額分派器； 340〜參數更新器； 3 5 0〜影像編碼器； P(1)〜晝面； A(1)〜全活動量； 巧〜預估複雜度； A C R( 1〉〜活動量對複雜度之比； EB〜超用位元量； TB(n〜目標位元額度； AQ(i)〜平均量化位階； UB(i)〜實際消耗位元數； CD〜編碼後的資料。

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Claims (1)

1221741 六、申請專利範圍 1 · 一種動態影像視訊位 列步驟： 為一即將被編碼的 視訊序列的 目前畫面之 前編碼晝面 複雜度； 前畫面預估 前畫面在一 基於該 型態之一先 前晝面之一 --^〜 元率控制之方法，至少包含τ目前晝面而計算—全活動量，兮 一組連續畫面之中； 為目 該全活動量以及該組連其活動量對複雜度之比、1 中同 比，估計該目 以該目 瞬間複雜度 依據該 元額度給該 基於該 進行編碼； 在編碼 量、該目前 化位階，計 其中， 晝面之該全 元數以及平 2 ·如申 制之方法， 述目前晝面 3 ·如申 制之方法， 該複雜度更新該組連續晝面之 以及該瞬間複雜度，公配一目標位 度，對該視訊序列中之兮d 之该目前晝面之後，根據該目前晝面 消耗位元數和該目前蚩=王活動 面其活動量對複雜度=平均量:該：動量對複雜度之比與該目前 與該目前畫面之實際消耗位 成反比。 第1項所述動態影像視訊位元率控 ，目則晝面之上述全活動量係在上算時。 第1項所述動態影像視訊位元率控 配的目標位元額度係與上述目前畫 的 估計複雜度 目前晝面； 目標位元額 以及 該目前晝面 晝面之實際 异該目前晝 該目前畫面 活動量成正 均量化位階 請專利範圍 其中計算上 進行移動估 請專利範圍 其中上述分

0702-7302TWf(nl);90P97;Lin.ptd 第23頁 1221741 六、申請專利範圍 面之上述複雜度成正比，而與上述一組連續畫面之上述瞬 間複雜度成反比。 4 ·如申請專利範圍第1項所述動態影像視訊位元率控 制之方法，其中上述估計複雜度之步驟係依據一方程式進 行計算·· 其中cest係上述目前畫面預估的上述複雜度，κ係一既定的 加權值，其範圍在〇到1之間，A係上述一組連續畫面中的 上述目剷畫面之上述全活動量，A c R係上述一組連續晝面 中同型恶之上述先前編碼晝面其活動量對複雜度之比。 5 ·如申凊專利範圍第1項所述動態影像視訊位元率控 制之方法，其中上述一組連續晝面至少包含一晝面群組 of picture，G〇p)，且該畫面群組符合MM視訊 6 ·種動態影像視訊位元率控制之裝置，至少句人· 二移動估算單元，接收一視訊序列裡的一組連二而 匹配時，計曾兮目&圭: > 來在執仃移動估算的區塊 T外該目刖畫面之一全活動量； 凡 ，乂 Ϊ雜度估計器，基於該目前畫面之該全、、舌動旦 c晝面中同型態之一先前編碼晝面其活動κ及 X之比，用來估計該目前畫面之—複雜度； 對後雜 一配額分派器，以該目前書 組連續晝面之一瞬間複雜产，預估的该银雜度更新兮 蚪間複雜度用來根據該估計複雜度二°亥 六、申請專利範圍 該瞬間複雜度 一參數更 晝面之 礎，計 其 畫面之 以及平 7. 制之裝 上述目 化位階 區域編 目前畫 述目前 8. 制之裝 面之上 間複雜 9. 制之裝 畫面之 實際消 算該目 中，該 該全活 均量化 如申請 置，更 標位元 ，該些 碼之用 面，且 畫面之 如申請 置，其 述複雜 度成反 如申請 置，其 上述複 ，分配一目#/ 一 新器，以該Γ=額度給該目前晝面；以及 ^ ^ 剐旦面之該全活動量、該目針 和該目前晝面之平均量化位心 =活動量對複雜度之比； 為基 動量成正比：：：量對複雜度之比與該目前 位階成反比。人邊目前畫面消耗之位元數 專利範圍第6項所H、& At 至少包含—与/迷動態影像視訊位元率控 額度而決定上述 侬上这目引里面之 量化位階係作Ϊ1:晝面所使用之複數個量 ，該影像編碼写祀^晝面中的每-空間 回報上述目前：面“些量化位階編碼上述 平均量化位階實際消耗位元數以及上 專利範圍第6項所奸、备L At 中上述分配的目/位悲、影像視訊位元率控 度成正比，而以度係與上述目前晝 比。 一上述—組連續畫面之上述瞬 專利範圍第6項所流說At 中上述複雜度估;器動 =像，位元率控 雜度，係依據一方程式：计付到的上述目前

1221741 六、申請專利範圍 其中Cest係上述目益奎& AA t 士描估 甘μ 旦面預估的上述複雜度，κ係一既定的 加榷值，其乾圍在0到1之間，Α係μ ^又 係既疋 上述目前晝面之上述入壬私旦，、上述一組連續畫面中的 中同型態之上述先前二2 LA c R係上述一組連續畫面 1 η如_ ι宙先扁馬旦其活動量對複雜度之比。 告…/署Λ 範圍第6項所述動態影像視訊位元率控 制之裝置，其中上述—組連續晝面至少包含—書面群組 (group of Plcture，G0P)，且該晝面群組符合mpeg視訊 標準。 11 ·如申請專利範圍第7項所述動態影像視訊位元率控 制之裝置，其中上述目前畫面中的上述空間區域係MpEG視 sfl才示準所疋義之一大區塊（macr〇bi〇ck)。

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