程 飛，鄒雪妹，滕國(guó)偉，王國(guó)中

（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）

1 引言

對(duì)于視頻通信，由于通信帶寬有限，需要對(duì)視頻編碼碼率進(jìn)行控制，以保證信道帶寬的充分利用和在接收端有良好和穩(wěn)定的接收質(zhì)量?，F(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，專家們提出了多種碼率控制策略，較為經(jīng)典的算法有：MPEG-2的TM5、MPEG-4 的 VM8[1]、H.263 的 TMN8[2]， 以 及 H.264/AVC中采用的JVT-G012等碼率控制算法[3]。JVT-G012算法對(duì)于宏塊級(jí)碼率控制，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，不僅需要保存每個(gè)宏塊的相關(guān)參數(shù)，而且每個(gè)宏塊在編碼之前都要進(jìn)行參數(shù)的更新并求解二次方程，計(jì)算復(fù)雜度較高，不能很好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

如果能在RDO模式判別前可以預(yù)測(cè)出當(dāng)前幀的編碼復(fù)雜度、計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)比特?cái)?shù)所需的量化級(jí)當(dāng)然最好，但在RDO模式判決之前能得到的信息很少，主要是利用與參考宏塊的相關(guān)性來(lái)預(yù)測(cè)，這在序列變化劇烈和場(chǎng)景發(fā)生變化的情況下很難預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。宏塊級(jí)碼控與幀級(jí)碼控相比，優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然是控制準(zhǔn)確，缺點(diǎn)就是要花費(fèi)很多比特?cái)?shù)去編ΔQP。ΔQP越大，不為零的數(shù)越多，所耗的比特?cái)?shù)就越多，PSNR值就會(huì)相應(yīng)降低，圖像質(zhì)量也就相應(yīng)變差。所以宏塊級(jí)碼控方案應(yīng)該盡量減少不必要的比特?cái)?shù)浪費(fèi)，以求在控制精度的同時(shí)有較高的圖像質(zhì)量。

2 宏塊級(jí)碼率控制算法

在CAVLC中對(duì)DCT系數(shù)采用游程編碼，而游程編碼主要是對(duì)零的游程長(zhǎng)度和非零數(shù)進(jìn)行編碼，所以在一定程度上游程長(zhǎng)度和非零數(shù)可以反映出對(duì)DCT系數(shù)編碼所耗的比特?cái)?shù)。因此，可以利用DCT系數(shù)量化后零的游程和非零數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)出DCT系數(shù)編碼所耗的比特?cái)?shù)[4]。宏塊的頭信息主要包括宏塊類型、參考索引、運(yùn)動(dòng)向量差值、編碼塊模式、量化參數(shù)差值等，其中只有運(yùn)動(dòng)向量差值是隨著情況的不同而大量變化的，其他參數(shù)所用比特?cái)?shù)基本上相對(duì)固定[5]。本文用運(yùn)動(dòng)向量的個(gè)數(shù)和運(yùn)動(dòng)向量差值的非零數(shù)預(yù)測(cè)宏塊頭比特?cái)?shù)。但在H.264編碼中不管是要得到游程長(zhǎng)度和非零數(shù)，還是要得到運(yùn)動(dòng)向量差值都必須先確定量化參數(shù)，這就是所謂的“蛋雞悖論”。本文的方法是先利用前一宏塊的量化參數(shù)進(jìn)行模式判決和量化，然后根據(jù)量化后的信息估計(jì)當(dāng)前宏塊可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，并與目標(biāo)比特?cái)?shù)進(jìn)行比較，來(lái)判斷當(dāng)前宏塊的量化參數(shù)是否變化，若變化則用新的量化參數(shù)重新進(jìn)行模式判決 （只需用新的QP確定系數(shù)λ重新進(jìn)行比較和判斷）和量化。若量化參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，不僅碼控復(fù)雜度會(huì)大大提升，而且需要消耗大量比特?cái)?shù)對(duì)ΔQP編碼。因此在保障控制準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少量化參數(shù)的變化，避免不必要的比特?cái)?shù)浪費(fèi)，提高圖像質(zhì)量。

本文的碼率控制算法除每個(gè)GoP中的第一個(gè)P幀外，對(duì)所有其他幀間預(yù)測(cè)的幀進(jìn)行控制。如果對(duì)每個(gè)GoP的第一個(gè)P幀也采用相同的碼率控制算法，則由于P幀圖像和I幀圖像在編碼特性上的差異，碼率控制會(huì)有較大誤差，因此沿用JVT-G012的方法，對(duì)于每個(gè)GoP中I幀和第一個(gè)P幀采用預(yù)定義的量化參數(shù)進(jìn)行編碼，碼率控制只對(duì)每個(gè)GoP的第二個(gè)P幀開(kāi)始的所有幀間預(yù)測(cè)圖像進(jìn)行控制。此外，在GoP、幀級(jí)目標(biāo)碼率分配上，本文算法使用的是JVT-G012的方案。

本文算法主要包括以下幾步：

1）根據(jù)帶寬和輸入序列格式確定一組系數(shù)（a，b，c）和閾值THMAX；

2）為宏塊分配目標(biāo)比特?cái)?shù)；

3）采用JVT-G012的方法用預(yù)定義的量化參數(shù)對(duì)I幀和第一個(gè)P幀進(jìn)行編碼；

4）從第二個(gè)P幀開(kāi)始，第一個(gè)宏塊的量化參數(shù)使用前一幀的平均量化參數(shù)；

5）根據(jù)運(yùn)動(dòng)向量的差值確定當(dāng)前宏塊頭的比特?cái)?shù)；

6）根據(jù)亮度和色度量化后零的游程長(zhǎng)度和、非零數(shù)的數(shù)目及非零數(shù)的和來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊殘差值產(chǎn)生的比特?cái)?shù)；

7）根據(jù)5），6）兩步，預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)并與目標(biāo)比特?cái)?shù)進(jìn)行比較，確定當(dāng)前宏塊的量化參數(shù)是否發(fā)生變化，若變化則用新的量化參數(shù)重新進(jìn)行模式判決和量化，否則繼續(xù)進(jìn)行編碼；

8）若當(dāng)前宏塊模式是幀內(nèi)和跳過(guò)模式，量化參數(shù)與前一宏塊量化參數(shù)保持一致。

3 宏塊級(jí)目標(biāo)比特?cái)?shù)的分配和當(dāng)前宏塊所耗比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)

現(xiàn)有的碼控方案主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是根據(jù)帶寬分配目標(biāo)比特?cái)?shù)，另一個(gè)就是建立一個(gè)量化參數(shù)與目標(biāo)比特?cái)?shù)的模型，然后根據(jù)這個(gè)模型計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)碼字所需的量化級(jí)[6-8]。本算法并沒(méi)有建立一個(gè)RQ模型，而是通過(guò)前一量化參數(shù)進(jìn)行模式判決和量化，再通過(guò)量化后信息預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)并與目標(biāo)比特?cái)?shù)比較，來(lái)判斷當(dāng)前宏塊的量化參數(shù)增加、減少或不變。

1）宏塊級(jí)目標(biāo)比特?cái)?shù)的分配

（1）使用JVT-G012的方案為GoP和幀分配目標(biāo)比特?cái)?shù)Frbits；

（2）宏塊目標(biāo)比特?cái)?shù)MBtbits的分配主要由先前宏塊所耗比特?cái)?shù)Src_bits和剩下多少個(gè)宏塊Units決定

2）當(dāng)前宏塊所耗比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)

DCT系數(shù)所耗比特?cái)?shù)TBmb（qp）的預(yù)測(cè)

式中：Xmb（qp）為DCT系數(shù)量化后非零數(shù)的個(gè)數(shù)；Ymb（qp）為DCT系數(shù)量化后零的游程長(zhǎng)度和；Zmb（qp）為量化后AC系數(shù)非零數(shù)的和。

宏塊頭所耗比特?cái)?shù)HBmb（qp）的預(yù)測(cè)

式中： MVn（qp）為運(yùn)動(dòng)向量的個(gè)數(shù)； MVDnz（qp）為運(yùn)動(dòng)向量差值非零的個(gè)數(shù)。

計(jì)算預(yù)測(cè)的宏塊比特?cái)?shù) TBmb（qp）+HBmb（qp）與宏塊分配的目標(biāo)比特?cái)?shù)MBtbits兩者的差值

并與閾值 THMAX比較：若 abs（Difbits）>THMAX），DeltaQP=1，否則 DeltaQP=0；若（Difbits>0），QP+=DeltaQP，否則 QP-=DeltaQP。

可以通過(guò)調(diào)節(jié)閾值THMAX和系數(shù)a，b，c來(lái)實(shí)現(xiàn)在保證精度的情況下，充分利用比特?cái)?shù)提升圖像質(zhì)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在JVT的校驗(yàn)?zāi)Ｐ蚃M86上實(shí)現(xiàn)了筆者提出的碼率控制策略，并和JVT提案中的碼率控制策略JVT-G012進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的CIF測(cè)試序列：news，bus，foreman，mobile，football和 tempete。 實(shí)驗(yàn)條件按照實(shí)際應(yīng)用要求確立，幀率為25f/s（幀/秒），給定第一個(gè)I幀的QP為28，其他測(cè)試條件如表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，本文的碼率控制算法碼率控制得很好，PSNR值也很高。

表1 測(cè)試條件

表2 兩種算法碼率控制效果對(duì)比

為了更清楚地表明這兩種碼率控制的效果，圖1給出兩種方法下foreman和tempete各幀的PSNR，本算法PSNR變化比JVT-G012平緩，具有較高的主觀視覺(jué)質(zhì)量。圖2給出了兩種方法下foreman和tempete各幀的比特?cái)?shù)，本算法各幀所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)與目標(biāo)比特?cái)?shù)的匹配情況比JVT-G012更好，更精確地計(jì)算出了達(dá)到目標(biāo)比特?cái)?shù)所需的量化級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

圖2 foreman和tempete序列兩種方法下的每幀比特?cái)?shù)波動(dòng)曲線比較

本文所述碼率控制算法先用前一宏塊的量化參數(shù)進(jìn)行模式判決和量化，然后使用量化之后的信息估計(jì)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，因?yàn)槭抢卯?dāng)前宏塊量化后的信息來(lái)估計(jì)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，估計(jì)準(zhǔn)確性比較高。而且本算法只是利用已有的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性運(yùn)算來(lái)判斷當(dāng)前宏塊量化參數(shù)是否發(fā)生變化，然后在極少量化參數(shù)發(fā)生變化的宏塊中用新的量化參數(shù)重新確定系數(shù)λ，重新進(jìn)行模式判決和量化，計(jì)算復(fù)雜度低，大大加快了編碼速度。本算法是一種建立在簡(jiǎn)單率失真模型基礎(chǔ)上的宏塊級(jí)算法。該算法充分利用了宏塊的實(shí)際編碼特性，在保證碼率控制準(zhǔn)確性和圖像質(zhì)量的前提下，大幅提高了碼率控制速度。

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