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        基于H.264 碼率控制算法的優(yōu)化

        2013-10-21 00:53:58周易龍
        電子設(shè)計(jì)工程 2013年12期
        關(guān)鍵詞:碼流碼率控制算法

        周易龍

        (上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306)

        碼率控制就是調(diào)整視頻編碼輸出碼率,使之與傳輸帶寬相匹配,同時(shí)獲取最小的解碼失真,以保證良好并且穩(wěn)定的接收解碼質(zhì)量。因此,在給定的比特流的條件下,編解碼器采用碼率控制可以獲得高質(zhì)量和高平滑的視頻。量化是視頻數(shù)據(jù)壓縮的重要過(guò)程,QP(量化參數(shù))是影響碼率的關(guān)鍵因素。

        量化參數(shù)反映了空間細(xì)節(jié)壓縮情況,QP 減小,大部分細(xì)節(jié)會(huì)被保留,同時(shí)碼流比較大,QP 增大,大部分細(xì)節(jié)會(huì)丟失,此時(shí)碼流較小。為了保證緩沖區(qū)的碼流既不上溢也不下溢,可以通過(guò)二次率失真模型進(jìn)行預(yù)測(cè)QP 的值,調(diào)節(jié)QP 的大小來(lái)調(diào)整碼率。二次率失真模型中采用MAD 計(jì)算QP 時(shí),在圖像內(nèi)容變換較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致估算的目標(biāo)比特?cái)?shù)與實(shí)際輸出之間誤差很大,并且相鄰兩幀圖像之間的劇烈波動(dòng)將嚴(yán)重影響圖像的主觀質(zhì)量。為了有效地解決這個(gè)問(wèn)題,本文提出了在像素差值計(jì)算基礎(chǔ)上加入hadamard 變換即SATD,用SATD 來(lái)代替MAD 計(jì)算QP,可以很好地解決了這一問(wèn)題。

        1 標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制算法

        碼率控制主要包括3 步,首先,目標(biāo)比特?cái)?shù)的分配,然后,根據(jù)目標(biāo)比特?cái)?shù)進(jìn)行編碼參數(shù)的選擇,最后,參數(shù)更新過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)中的碼率控制方案共分3 層:GOP(groupof pictures)層碼率控制,幀層碼率控制,基本單元層碼率控制。

        QP 在現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)(JVT-K049)中通過(guò)二次率失真模型進(jìn)行計(jì)算Qstep,再通過(guò)QP 與Qstep 的關(guān)系來(lái)計(jì)算QP[1]。

        其中Tsrc為目標(biāo)比特?cái)?shù),α1,α2為預(yù)測(cè)模型系數(shù),初值分別為1 和0,通過(guò)線性回歸統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到。Headbit為頭比特?cái)?shù)表示編碼信息。

        采用線性模型來(lái)預(yù)測(cè)MAD,即當(dāng)前基本單元的MAD 計(jì)算是通過(guò)前一幀在此位置上的MAD 中計(jì)算得出,公式(2)[1]

        其中MADcb表示當(dāng)前位置上的MAD,MADpb表示前一幀在相同位置上的MAD,a1、a2為預(yù)測(cè)模型的參數(shù),初值分別為1、0。

        2 改進(jìn)的碼率控制算法

        二次率失真模型中采用MAD 來(lái)計(jì)算量化步長(zhǎng)Qstep,再通過(guò)QP 與Qstep 的關(guān)系來(lái)計(jì)算QP,此種情況計(jì)算所得到的QP 在圖像內(nèi)容變換較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致估算的目標(biāo)比特?cái)?shù)與實(shí)際輸出之間誤差很大,并且相鄰兩幀圖像之間的劇烈波動(dòng)將嚴(yán)重影響圖像的主觀質(zhì)量。本文在計(jì)算像素差值的基礎(chǔ)加上hadamard 變換即SATD,采用SATD 替代MAD 以此計(jì)算QP,

        改進(jìn)的Qstep 計(jì)算[2-4]:

        其 中 SATD為 sum of absolute hadamard transformed differences。

        SATD 的預(yù)測(cè):

        其中SATDc表示當(dāng)前幀的SATD,SATDp表示前一幀的SATD,λ1,λ2初值分別為1 和0,采用線性回歸的方法進(jìn)行更新。

        用式(4)計(jì)算量化步長(zhǎng)Qstep:

        其中s 代表SATD,

        本文采用新的方法[5-6]計(jì)算SATD,此種方法已被驗(yàn)證可以快速計(jì)算SATD,有利于實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用。其中4X4 階SATD

        其中H4×4代表4×4 階hadamard 變換系數(shù)矩陣,D4×4代 表4×4 階像素差值矩陣,上述公式表示像素差值矩陣先進(jìn)行hadamard 變換再求其絕對(duì)值,最后求其和。

        H4×4系數(shù)矩陣為:

        SATD 具體每列的計(jì)算如下:

        SATD(D4×4)=2·[max(|d1+d3|,|d2+d4|)+max(|d-d3|,|d2-d4|)]

        其中d1,d2,d3,d4代表列向量的4個(gè)元素。

        根據(jù)下式可以將4×4 階推導(dǎo)出8×8 階和16×16 階,

        3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

        本試驗(yàn)結(jié)果在VS2010 開(kāi)發(fā)環(huán)境中,JM18.0 平臺(tái)上去實(shí)現(xiàn)本文提出的碼率控制策略,并與JM18.0 采用的標(biāo)準(zhǔn)碼率控制方案作比較。實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的qcif 測(cè)試序列:bridge,highway,hall,suzie,akiyo 幀率為30 幀/ s,共編碼100 幀,目標(biāo)碼率為32 kb/s。給定第1 幀的QP為30,RCUpdateMode[7]值為2 即I 和B 片(包括分層)原件加上智能QP 選擇。

        圖1 視頻序列bridge(左)和highway(右)幀率與比特?cái)?shù)的關(guān)系Fig.1 Frame rate relationship with the number of bits of the video sequence Bridge(left)and highway(right)

        從圖1 中可以看到bridge 和highway 比特流隨幀數(shù)變化狀況,新算法比原算法在視頻序列復(fù)雜度激烈變化的地方有更好的表現(xiàn)。

        從圖2 中可以看到bridge 和highway 峰值信噪比隨幀數(shù)變化狀況,新算法比原算法在視頻序列信噪比波動(dòng)較小,有更好的表現(xiàn)。

        圖2 視頻序列bridge(左)和highway(右)幀率與信噪比的關(guān)系Fig.2 relationship between the frame rate and signal-to-noise ratio of the video sequence Bridge(left)and highway(right)

        表1 視頻序列比特率和峰值信噪比測(cè)試結(jié)果Tab.1 The bit rate of the video sequence and peak signal-tonoise of the test results

        表2 視頻序列信道信噪比和MSE 測(cè)試結(jié)果Tab.2 Video sequence of channel signal-to-noise ratio and MSE test results

        從圖中和表中可以看出,新的碼率控制算法可以更為準(zhǔn)確地控制碼率,可見(jiàn)本文提出的用SATD 代替MAD 在二次率失真模型中計(jì)算Qstep,最終計(jì)算出QP 有更好的表現(xiàn),獲得更好的峰值信噪比值、比特流、信道信噪比和MSE,

        4 結(jié)束語(yǔ)

        文中基于最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264 中采用的碼率控制方案,提出一種改進(jìn)的碼率控制算法,用SATD 代替MAD 在二次率失真模型中計(jì)算Qstep,最終計(jì)算出QP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文的算法在較好地控制碼率的同時(shí)視頻序列的峰值信噪比、比特流、信道信噪比和MSE 有很好的提高,達(dá)到了更好地控制碼流的效果,便于接收端獲得良好穩(wěn)定的視頻流。

        [1]Joint Video Team of ISO/IECMPEG and ITU-T VCEG.JVTK049.Text description of joint model reference encodingmethods and decoding concealment methods [S].Munish,Germany..Keng-Pang Kim,Gary Sullivan,Thomas Wiegand,Mar.2004.

        [2]Kwon D K,Shen M Y,Kuo C C J.Rate control for H.264 video with enhanced rate and distortion models [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2007,17(5):517-529.

        [3]ZHU Tao,ZHANG Xiong-wei.A novel rate control scheme for H.264/SVC base layer [C]//Wireless Communication &Signal Processing,WCSP,International Conference on,2009:1-5.

        [4]LIU li,ZHUANG Xin-hua.A Novel Square Root Rate Control Algorithm for H.264/AVC Encoding,Multimedia and Expo,ICME 2009 [C]//IEEE International Conference,2009:814-817.

        [5]ZHU Ce,XIONG Bing.Transform-Exempted calculation of sum of absolute hadamard transformed differences [J].IEEE Ttansactions on Circuits and Systems for Video Technology,2009,19(8):1183-1188.

        [6]XIN Shu-ping.Optimization of the SATD Function in AVSM [C]//Networking and Digital Society(ICNDS),2nd International Conference on,2010:613-616.

        [7]Joint Video Team(JVT)of ISO/IEC MPEG &ITU-T VCEG,JVT-W042,Rate Control reorganization in the Joint Model(JM)reference software [S].Athanasios Leontaris,Alexis Michael Tourapis.23rd Meeting:San Jose,California,USA,21-27 April,2007

        [8]韓崢,唐昆,崔慧娟.基于H.264的碼率控制算法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,48(1):59-61.HAN Zheng,TANG Kun,CUI Hui-juan.Rate control method based on the standard H.264 [J].Journal of Tsinghua University:Natural Science,2008,48(1):59-61.

        [9]鄧中亮,段大高,催巖松,等.基于H.264的視頻編/解碼與控制技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2010.

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