陳 曉，劉海英

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044)

隨著國際互聯(lián)網(wǎng)和移動通信技術的發(fā)展，3G網(wǎng)絡逐漸普及，基于多媒體的各種海量視頻數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡帶寬和存儲空間有限的情況下進行傳輸，使得視頻壓縮編碼技術顯得尤為重要，而碼率控制是視頻編碼中最為重要的部分之一，碼率控制的好壞直接影響圖像的編碼質量。碼率控制就是調(diào)整視頻編碼輸出的碼率，使之與預設的碼率即傳輸帶寬相匹配，同時獲得最小的解碼失真。在不影響視覺的情況下，輸出碼率越接近預設碼率越好。

視頻壓縮編碼H.264是圖像通信領域的一個熱點。目前，針對H.264/AVC的JVT-G012碼率控制算法中的不足已經(jīng)有相當多的研究。文獻［1］利用MADratio來表征圖像復雜度進行幀層目標比特分配;文獻［2］提出了一種基于PSNR的幀復雜度估計碼率控制算法;文獻［3］提出一種基于拉格朗日的量化參數(shù)調(diào)整的碼率控制算法;文獻［4］提出一種基于感興趣區(qū)域的目標比特分配方法;文獻［5］提出了一種利用幀復雜度系數(shù)來調(diào)節(jié)幀層目標比特分配;文獻［6］利用一種新的率失真模型來進行碼率控制;文獻［7］引入了一種內(nèi)容復雜度因子來分配目標比特;文獻［8］綜合了MAD(mean absolute difference)和MV(motion vector)提出一種新的參數(shù)MADMV，來反映圖像復雜度;文獻［9］提出一種ρ域線性率失真模型碼率控制算法;文獻［10］采用MAD加權的模型，并結合位置權對基本單元層的目標比特進行分配;文獻［11］是提出了一種基于紋理的幀內(nèi)預測算法;文獻［12］提出了一種適合硬件實現(xiàn)的宏塊級碼率控制算法。

上述方法都給編碼器帶來很多額外的開銷，本文提出一種利用幀差法來表征圖像復雜度的方法，并利用緩沖區(qū)充盈度來調(diào)整量化參數(shù)的方法，簡單有效，并且該算法基本沒有給編碼器帶來額外的開銷，在實時通信中更能顯示出其優(yōu)勢。

1 JVT-G012幀層碼率控制算法

計算P幀的目標比特數(shù)，見公式(1)

式中:β是一個常數(shù)，當無B幀時，β的值為0.5，否則為0.9;f'(ni，j)為考慮緩沖區(qū)反饋得到的比特數(shù)ni，j)是由當前GOP中剩余的比特數(shù)，圖像相對復雜度Wb，Wp和P，B幀的數(shù)目Np，Nb共同決定的，Tr表示剩余比特數(shù)，公式為

當編碼中無B幀時，公式(2)變?yōu)?/p>

由公式(3)可以得出，剩余比特平均分配給了每一幀，并沒有考慮圖像的復雜度。但事實上，每一幀的圖像復雜度是不同的，平均分配會導致圖像內(nèi)容變化不大，理論上需要較少比特的時候，反而分配了相對多的比特，致使比特浪費;當圖像內(nèi)容變化大理論上需要較多的比特的時，反而分配了較少的比特，致使編碼效果不好，導致圖像失真，影響視頻圖像的質量。

2 改進的幀層碼率控制算法

2.1 考慮圖像復雜度的目標比特分配

根據(jù)上述對JVT-G012在幀層對P幀目標比特平均分配的問題，本文充分考慮了圖像復雜度，利用一種簡單有效的幀差法來衡量圖像的復雜度，圖像復雜度因子α計算公式為

其中

式中:β1，β2是可以經(jīng)過實驗來確定的兩個常系數(shù);YC(x，y)和YP(x，y)分別表示當前幀和前一幀的重構幀在位置(x，y)上的亮度值;Frm_diff(i)表示第i幀的幀差值。因此用圖像復雜度因子α來整理公式(3)，得

2.2 調(diào)整量化參數(shù)

本文采用一種新的量化參數(shù)因子adjust_qp進行量化參數(shù)的調(diào)整，它是當前緩沖區(qū)的充盈度和目標緩沖大小的比值，見公式(7)

式中:QP是JVT-G012算法中利用二次模型得出的量化參數(shù)。

3 實驗仿真結果

為了驗證本文算法的有效性，所有的實驗都是在JVT的校驗模型JM10.1上進行的，并和JVT-G012算法進行了對比，表1、表2是測試序列的峰值信噪比的比較。實驗在目標碼率為48 kbit/s和64 kbit/s，對QCIF 4∶2∶0格式的測試序列highway，carphone，foreman，mother，silent，akiyo進行測試。圖1和圖2分別是測試序列akiyo和foreman在JVT-G012算法和本文算法下得出的峰值信噪比PSNR和緩沖區(qū)充盈度CurrentBufferFullness的曲線比較;圖3和圖4是測試序列foreman和mother的主觀質量比較圖。實驗中所有序列按IPPP結構編碼，GOP長度為20，幀率為30 f/s(幀/秒)，共編碼200幀。

表1 JVT-G012和本文算法的PSNR比較

表2 JVT-G012和本文算法的碼率比較

圖1 akiyo的PSNR比較圖

為了更好地說明兩種算法控制碼率的精確能力，定義碼率偏差E_bit_rate為

式中:ractual是實際產(chǎn)生的碼率;rtarget是設定的目標碼率。E_bit_rate越小，說明碼率控制得越精確，越接近目標碼率;反之，同理。

從表1和表2的實驗結果可以清楚地看出，本文算法不僅能夠使實際產(chǎn)生的碼率更接近目標碼率，而且PSNR也有所提高。尤其是在目標碼率為64 kbit/s的情況下，測試序列carphone的碼率偏差減小了2.37%。在目標碼率為64 kbit/s時，測試序列akiyo的PSNR提高了0.23 dB，碼率誤差減小了0.67%。

由圖1可以看出本文算法得到的PSNR波動較小，不會造成視頻質量的突然下降，這都是由于在幀層考慮了圖像復雜度的結果。由圖2可以看出，本文提出的算法使緩沖區(qū)充盈度更穩(wěn)定，不會出現(xiàn)較大的波動，能夠有效地避免緩沖區(qū)的上溢，不會出現(xiàn)跳幀現(xiàn)象，而引起圖像太大的失真。圖3和圖4中，左邊為JVT-G012的到的主觀質量圖，右邊為本文算法得到的主觀質量圖，從圖中可以看出，本文算法得到的視頻質量更好，這是由于本文根據(jù)圖像復雜度的不同而相應地對每一幀分配不同的比特，而JVTG012是平均分配比特。

4 結束語

通過分析JVT-G012算法在幀層目標比特分配的不足，本文考慮了圖像復雜度，利用圖像復雜度因子對幀層進行合理的目標比特分配，并利用緩沖區(qū)充盈度來調(diào)整量化參數(shù)。經(jīng)過實驗證明，本文算法優(yōu)于JVT-G012算法，不僅能夠精確地控制碼率，而且PSNR也有所提高。在一定帶寬的情況下，本文算法能夠呈現(xiàn)更好的視頻質量。本算法相比其他算法簡單，易于硬件實現(xiàn)，有良好的應用前景。

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