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CN115118985A - 编码器及相关的信号处理方法 - Google Patents

编码器及相关的信号处理方法 Download PDF

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CN115118985A
CN115118985A CN202110773040.XA CN202110773040A CN115118985A CN 115118985 A CN115118985 A CN 115118985A CN 202110773040 A CN202110773040 A CN 202110773040A CN 115118985 A CN115118985 A CN 115118985A
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蔡志宏
李伟
何晴西
陈伍军
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Abstract

本发明涉及一种编码器，其包括一帧阶段处理电路、一编码树单元阶段处理电路以及一编码电路。所述帧阶段处理电路用以根据所述编码器的一目标比特率以及一帧率以计算出一目前帧的一比特数，并再根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的一量化参数；所述编码树单元阶段处理电路用以使用一适应性量化调整模式来调整所述量化参数以产生一调整后量化参数。所述编码电路用以根据所述调整后量化参数来对所述目前帧进行编码以产生一输出数据。

Description

编码器及相关的信号处理方法
技术领域
本发明涉及编码器的比特率控制。
背景技术
在编码器中有关于比特率控制的操作中，一般可以分为固定比特率(constantbitrate，CBR)以及可变比特率(variable bitrate，VBR)，其中固定比特率指的是编码器的输出比特率是一个固定值以方便在一个有限带宽的通道内传输，但是若遇到影像复杂度较高的影像时，则会因为输出比特率的限制而牺牲了影像质量；而可变比特率则是编码器的输出比特率会随着输入源的信号复杂度来进行调整，以维持输出影像的质量，但这种方式会无法确定编码器的输出比特率而造成后续信号传输及处理上的困扰。
关于固定比特率的控制方法，在2012年时目标比特率与拉格朗日运算符(以下简称为R-λ)模型被提出，而相关的视频编码技术也在视频编码共同合作团队(JointCollaborative Team on Video Coding，JCT-VC)会议上被提出。在R-λ模型的架构中，主要是根据目标的比特率来计算出拉格朗日运算符(Lagrangian operator,λ)，以用于影像信号的失真与优化的相关计算，最后再根据拉格朗日运算符来计算出量化参数(quantization parameter)以实现控制输出比特率的目的。然而，上述R-λ模型的计算方式很复杂，涉及了许多指数与对数的运算，再加上拉格朗日运算符的计算很难以硬件电路来实作，因此造成编码器在电路设计上的困难。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提出一种编码器的比特率控制方法，其简化了R-λ模型的架构，并再加上可变比特率的相关模型，以解决背景技术中所述的问题。
在本发明的一实施例中，涉及一种编码器，其包括一帧阶段处理电路、一编码树单元阶段处理电路以及一编码电路。所述帧阶段处理电路用以根据所述编码器的一目标比特率以及一帧率以计算出一目前帧的一比特数，并再根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的一量化参数；所述编码树单元阶段处理电路用以使用一适应性量化调整模式来调整所述量化参数以产生一调整后量化参数。所述编码电路用以根据所述调整后量化参数来对所述目前帧进行编码以产生一输出数据。
在本发明的另一实施例中，涉及一种应用在一编码器内的信号处理方法，其包括以下步骤：根据所述编码器的一目标比特率以及一帧率以计算出一目前帧的一比特数，再根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的一量化参数；使用一适应性量化调整模式来调整所述量化参数以产生一调整后量化参数；以及根据所述调整后量化参数来对所述目前帧进行编码以产生一输出数据。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的编码器的示意图。
图2为根据本发明一实施例的编码器的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
图1为根据本发明一实施例的编码器100的示意图。如图1所示，编码器包括一帧阶段处理电路110、一编码树单元(Coding Tree Unit，CTU)阶段处理电路120以及一编码电路130。在本实施例中，编码器100可以使用在任何需要进行影像压缩的电子装置中，例如编码器100可以设置在机顶盒(set-top box)中，且用来接收输入源的影像数据后产生输出影像数据至电视以进行译码与播放。
在本实施例中，帧阶段处理电路110与CTU阶段处理电路120用来进行输出比特率的控制，而帧阶段处理电路110与CTU阶段处理电路120基于R-λ模型来进行简化与改善操作，以产生量化参数(quantization parameter)至后端的编码电路130来进行编码操作。需注意的是，由于编码电路130使用量化参数来对影像数据进行编码的细节已为本领域的普通技术人员所熟知，且编码电路130的操作也非本申请的重点，因此在本申请的说明书中仅针对帧阶段处理电路110与CTU阶段处理电路120的操作来进行说明。
在帧阶段处理电路110的操作中，针对低延P帧(low-delay P-frame，LDP)的IPPP编码结构，其对节点帧(Intra frame，I frame)与预测帧(Predicted frame，P frame)有两种不同的计算方式。具体来说，帧阶段处理电路110先计算出每一个帧的平均比特率，其计算公式如下：
Figure BDA0003154594560000031
其中‘Rpicavg’为每一个帧的平均比特率，‘Rtar’为目标比特率，且‘fps’为帧率(frame rate)。接着，帧阶段处理电路110计算出每一个帧的平均比特数，其计算公式如下：
Figure BDA0003154594560000032
其中‘SW’是平滑窗口(smooth window)的尺寸，‘Ncoded’是已编码的帧数量，‘Rcoded’为已经消耗的比特率；在本实施例中，‘SW’是用来使得编码器100所输出的输出数据在比特率的改变上较为平滑，而‘SW’可以为任意适合的常数，例如30、40…等等。
接着，若帧阶段处理电路110目前所处理的是节点帧(I frame)，则帧阶段处理电路110使用以下公式来计算出量化参数：
Figure BDA0003154594560000033
Figure BDA0003154594560000034
Figure BDA0003154594560000035
其中在公式(3)中，节点帧被分割为多个具有8*8个像素的区块，‘numberofblks’为节点帧的区块数量，H(x,y)为哈德玛变换(Hadamard transformation)，而‘τ’为节点帧内所有区块的节点值(intra cost)的总和；在公式(4)中，‘TbitsI’为节点帧所分配的比特数，‘f’为浮点数，‘α’为一参数；在公式(5)中，‘w’为节点帧的宽度，‘h’为节点帧的高度，且‘β’为一参数。
上述公式(5)所计算出的‘QPI’即为节点帧的量化参数。另一方面，上述公式(4)、(5)中的‘α’、‘β’随着帧的编码过程而不断更新，具体来说，在R-λ模型中根据‘TbitsI’、‘α’、‘β’来计算出的拉格朗日运算符‘λ’，而由于编码器100在处理完成时实际的节点帧的比特数会不同于‘TbitsI’，因此会据此来更新‘α’、‘β’以供下一个节点帧使用。由于‘α’、‘β’为熟悉R-λ模型的技术人员所能够了解，故更新‘α’、‘β’的细节在此不赘述。
另一方面，若帧阶段处理电路110目前所处理的是预测帧(P frame)，则帧阶段处理电路110使用以下公式来计算出量化参数：
Figure BDA0003154594560000041
上述公式(6)所计算出的‘QPp’即为节点帧的量化参数。另一方面，上述公式(6)中的‘α’、‘β’随着帧的编码过程而不断更新。
接着，在CTU阶段处理电路120的操作中，对于第一个帧，先计算出帧中每一个区块(即，CTU区块)的平均能量及量化参数调整基数，其中区块的大小可以是8*8个像素、16*16个像素或是其他任意适合的大小，第一个帧的区块的平均能量及量化参数调整基数可以是一个默认值，计算公式举例如下：
avgEnergy＝3.39f………………………………………………(7)；
avgAdj＝2.28f………………………………………………(8)；
其中‘avgEnerty’指的是帧的区块的平均能量，‘avgAdj’指的是帧的区块的量化参数调整的平均基数。
对于后续帧的计算方式，CTU阶段处理电路120使用前一个帧的平均能量及量化参数调整基数、以及目前帧的区块的能量，来计算出目前区块的量化参数调整基数，其计算公式举例如下：
qpAdj_i＝avgEnergy*(energy_i-avgAdj)………………………………………(9)；
其中‘qpAdj_i’为目前帧的区块的量化参数调整基数，energy_i’为目前帧的区块的能量，‘avgEnerty’为前一帧的区块的平均能量，‘avgAdj’为前一帧的区块的量化参数调整的平均基数。其中‘energy_i’可以通过将区块内的像素值作平方和计算而得到。
接着，针对每一个区块，CTU阶段处理电路120计算调整后量化参数，以供编码电路130使用，其中调整后量化参数的计算方法举例如下：
QPlcu＝baseQP+Table[baseQP]*qpAdj_i………………………………………(10)；
其中‘QPlcu’为调整后量化参数，‘baseQP’为帧阶段处理电路110所计算出的量化参数，亦即若目前所处理的帧为节点帧，则‘baseQP’即为公式(5)所计算出的‘QPI’；而若目前所处理的帧为预测帧，则‘baseQP’即为公式(6)所计算出的‘QPp’；‘Table[baseQP]’则表示根据‘baseQP’来进行查表所得到的一对应数值，其可以用来表示为在不同目标比特率的情形下根据‘baseQP’来计算出的参数。
需注意的是，以上公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)内关于浮点数的数值仅适用于范例说明，而非是本发明的限制，亦即设计者可以自行设定这些相关数值。
参考以上实施例所述，帧阶段处理电路110主要负责了控制编码电路130来输出了固定的比特率，且在计算过程中简化了计算出量化参数的过程，因此能够简化硬件电路的复杂度。此外，通过CTU阶段处理电路120来对量化参数进行调整(即，适应性的量化调整(adaptive quantization))，可以让编码电路130可以输出较高质量的影像数据，以解决背景技术中使用固定比特率而造成影像品值下降的问题。另一方面，CTU阶段处理电路120在计算量化参数调整基数时使用了部分已经编码完成的数据(亦即，前一个帧的区块的能量及量化参数调整基数)，以避免硬件电路的管线延迟(pipeline delay)的问题。
在本发明的一实施例中，帧阶段处理电路110或是CTU阶段处理电路120另外会判断目前帧与前一帧的差异性，以判断影像数据是否涉及场景切换。举例来说，CTU阶段处理电路120可以比较目前帧的至少一个区块(CTU区块)与前一帧的对应区块的差异性，例如在平均能量、平均像素值或是任何可以表示区块的影像内容的参数的差异性，来判断目前帧与前一帧是否涉及场景切换；而若目前帧的至少一行区块与前一帧的对应区块的差异性过大，则代表目前帧与前一帧是否涉及场景切换。当判断目前帧与前一帧是涉及场景切换时，帧阶段处理电路110会舍弃在前一帧所计算出的α、β(即，更新后的α、β)，并直接使用预设的α、β及公式(3)～(5)来计算出目前帧的量化参数。
图2为根据本发明一实施例的编码器的信号处理方法的流程图。同时参考图1及以上实施例所公开的内容，图2的流程如下所述：
步骤200：流程开始。
步骤202：接收影像数据。
步骤204：判断目前所处理的帧是否涉及场景切换，若是，流程进入到步骤206；若否，流程进入到步骤208。
步骤206：使用预设的参数来计算量化参数。
步骤208：使用在前一帧所更新的参数来计算量化参数。
步骤210：使用适应性量化调整模式来调整量化参数。
步骤212：使用调整后量化参数来对影像数据进行编码
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请所做出的等同变化与修改，均应属本发明的涵盖范围。
【附图标记说明】
100:编码器
110:帧阶段处理电路
120:编码树单元阶段处理电路
130:编码电路
200～212:步骤

Claims (10)

1.一种编码器，包括：
一帧阶段处理电路，用以根据所述编码器的一目标比特率以及一帧率以计算出一目前帧的一比特数，并再根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的一量化参数；
一编码树单元(CTU)阶段处理电路，耦接于所述帧阶段处理电路，用以使用一适应性量化调整模式来调整所述量化参数以产生一调整后量化参数；以及
一编码电路，耦接于所述CTU阶段处理电路，用以根据所述调整后量化参数来对所述目前帧进行编码以产生一输出数据。
2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，若所述目前帧为一节点帧，所述帧阶段处理电路计算出所述目前帧内所有区块的节点值的一总和，再根据所述总和、所述目前帧的所述比特数以及一第一参数以计算出所述目前帧的一分配比特数，再根据所述分配比特数、所述总和、所述第一参数以及一第二参数以计算出所述量化参数。
3.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，若所述目前帧为一预测帧，所述帧阶段处理电路根据所述目前帧的所述比特数、一第一参数以及一第二参数以计算出所述量化参数。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的编码器，其特征在于，所述帧阶段处理电路更新所述第一参数与所述第二参数，以供计算出下一帧的量化参数时使用。
5.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于，所述帧阶段处理电路或是所述CTU阶段处理电路判断所述下一帧与所述目前帧是否涉及场景切换，若所述下一帧与所述目前帧涉及场景切换，则所述帧阶段处理电路使用所述第一参数及所述第二参数以计算出所述下一帧的量化参数；以及若所述下一帧与所述目前帧不涉及场景切换，则所述帧阶段处理电路使用更新后的所述第一参数及所述第二参数以计算出所述下一帧的量化参数。
6.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，所述目前帧包括多个区块，且针对所述目前帧的任一个区块：所述CTU阶段处理电路根据一前一帧的一对应区块的能量及量化参数调整基数、以及所述区块的能量，来计算出所述目前帧的所述区块的一量化参数调整基数；并再根据所述目前帧的所述区块的所述量化参数调整基数来调整所述量化参数，以得到对应于所述区块的所述调整后量化参数。
7.一种应用在一编码器内的信号处理方法，包括：
根据所述编码器的一目标比特率以及一帧率以计算出一目前帧的一比特数，再根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的一量化参数；
使用一适应性量化调整模式来调整所述量化参数以产生一调整后量化参数；以及
根据所述调整后量化参数来对所述目前帧进行编码以产生一输出数据。
8.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，若所述目前帧为一节点帧，根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的所述量化参数的步骤包括：
计算出所述目前帧内所有区块的节点值的一总和；
根据所述总和、所述目前帧的所述比特数以及一第一参数以计算出所述目前帧的一分配比特数；以及
根据所述分配比特数、所述总和、所述第一参数以及一第二参数以计算出所述量化参数。
9.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，若所述目前帧为一预测帧，根据所述目前帧的所述比特数以及至少一参数以计算出所述目前帧的所述量化参数的步骤包括：
根据所述目前帧的所述比特数、一第一参数以及一第二参数以计算出所述量化参数。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的信号处理方法，其特征在于，还包括：
更新所述第一参数与所述第二参数，以供计算出下一帧的量化参数时使用。
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