榮倩倩　楊　靜

(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院　上海 201306)

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基于HEVC的LCU層碼率控制算法改進(jìn)

榮倩倩楊靜

(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院上海 201306)

摘要針對(duì)HEVC(High Efficiency Video Coding)碼率控制方案中LCU層利用平均絕對(duì)誤差(MAD)對(duì)圖像復(fù)雜度估計(jì)的不準(zhǔn)確性和比特分配的不合理性，提出一種基于像素的線性加權(quán)的直方圖差值(PHOD)的LCU層碼率控制算法。該算法引入PHOD作為L(zhǎng)CU層的圖像相對(duì)復(fù)雜度度量手段，使得LCU層目標(biāo)比特根據(jù)圖像復(fù)雜度進(jìn)行合理調(diào)整和準(zhǔn)確分配。同時(shí)利用已編碼幀碼流控制的反饋信息進(jìn)一步對(duì)量化參數(shù)和拉格朗日乘數(shù)調(diào)整，獲得更精確的量化值和拉格朗日乘數(shù)。仿真結(jié)果表明，與參考算法比較，改進(jìn)的算法對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)情況的視頻序列有良好的效果，能更加接近目標(biāo)碼率，圖像幀間質(zhì)量波動(dòng)減小，最終獲得較好的圖像主觀質(zhì)量和PSNR。

關(guān)鍵詞HEVC碼率控制LCU層圖像復(fù)雜度像素直方圖差值

0引言

2012年10月，JCTVC頒布了新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)——高效視頻編碼HEVC標(biāo)準(zhǔn)[1]。HEVC的目標(biāo)很明確，就是在相同圖像質(zhì)量前提下，壓縮比比H.264/AVC提高了一倍[2]。為了提高編碼效率，HEVC采用了很多新型技術(shù)，比如引入了編碼單元(CU)、預(yù)測(cè)單元(PU)和變換單元(TU)等一系列編碼概念。一般，編碼樹(shù)單元(CTU)的大小為64×64，當(dāng)圖像進(jìn)行分割時(shí)，根據(jù)局部紋理特性的不同，它可以按照四叉樹(shù)方法劃分成更小的CU，而每個(gè)CU又可以劃分成若干個(gè)PU或TU[3]。

碼率控制是視頻編碼器中一個(gè)非常重要的部分，尤其在各種多媒體流等實(shí)時(shí)應(yīng)用中是必不可少的。碼率控制的首要目的就是動(dòng)態(tài)地調(diào)整編碼參數(shù)控制輸出碼流的碼率，在盡可能小的失真前提下更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時(shí)使輸出的視頻碼流更加平穩(wěn)?？紤]到碼率控制的重要性，以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都有各自的碼率控制方案，例如，MPEG-2采用了TM5，H.263應(yīng)用了TMN8，MPEG-4采納了VM8，H.264/AVC推薦了JVT-G012[4]。由于HEVC引入了新的技術(shù)和編碼工具，所以原先的碼率控制方案就不能直接應(yīng)用在HEVC上。

2012年1月，JCTVC在第八次會(huì)議上確定了HEVC的第一個(gè)碼率控制方案——JCTVC-H0213[5]。和H.264/AVC的碼率控制算法一樣，此算法采用了基于像素的URQ模型。H0213僅僅是H.264/AVC碼率控制算法的一個(gè)繼承。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管H0213方案能夠較好地使實(shí)際分配的平均比特率和目標(biāo)比特相匹配，但是所獲得的重建視頻質(zhì)量很差，另外幀間存在著劇烈的碼率波動(dòng)，同時(shí)還需要復(fù)雜的模型參數(shù)更新過(guò)程，所以并不適應(yīng)于HEVC[6]?？紤]到拉格朗日乘數(shù)λ對(duì)比特率的分配起著重要的作用，Bin Li等提出了一種基于R-λ模型的碼率控制算法，該算法把λ看作是每像素所用比特的函數(shù)，再根據(jù)λ與量化參數(shù)QP之間相應(yīng)的關(guān)系計(jì)算出QP[7]。相比較JCTVC-H0213碼率控制方案，該方案在性能方面有了很大的提升。但是，一方面，在這個(gè)方案中，幀層的QP和計(jì)算沒(méi)有充分利用已編碼幀碼率控制的反饋信息；另一方面，在LCU層比特分配時(shí)每個(gè)LCU的權(quán)重是由MAD估計(jì)的，而當(dāng)前LCU的MAD是由同一層已編碼幀相同位置的LCU的MAD預(yù)測(cè)得到的，這種預(yù)測(cè)只考慮時(shí)間相關(guān)性而忽略了空間相關(guān)性[8]。另外，當(dāng)視頻序列存在局部運(yùn)動(dòng)劇烈或場(chǎng)景變換時(shí)，各幀之間的MAD波動(dòng)較大，再采用這種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)就和實(shí)際相差很大。這樣會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前LCU的比特分配出現(xiàn)較大的誤差以至于輸出圖像的質(zhì)量很差[9]?；谶@兩點(diǎn)，本文在LCU層提出了一種線性加權(quán)的基于像素亮度直方圖PHOD的復(fù)雜度度量方法。此方法對(duì)視頻序列的局部運(yùn)動(dòng)更加敏感，對(duì)圖像單元塊復(fù)雜度估計(jì)更加準(zhǔn)確；并且利用已編碼幀的碼率控制情況來(lái)調(diào)整當(dāng)前幀的QP和λ。

1提出的改進(jìn)算法

1.1LCU層復(fù)雜度的度量方法

針對(duì)K0103碼率控制算法中LCU層復(fù)雜度計(jì)算存在的不足，本文根據(jù)HEVC特有的編碼特征提出了一種線性加權(quán)的基于像素亮度信息的復(fù)雜性衡量方法PHOD。它不僅能夠有效區(qū)分不同復(fù)雜度的LCU，而且和LCU的實(shí)際復(fù)雜度有很強(qiáng)的線性關(guān)系。這種方法能根據(jù)基本單元的編碼復(fù)雜度，合理地對(duì)LCU層進(jìn)行比特分配。PHOD是以像素為單元來(lái)計(jì)算亮度直方圖差值，然后再對(duì)整個(gè)LCU求和，其表達(dá)式如下：

(1)式中，Npixels為L(zhǎng)CU中像素個(gè)數(shù)，h(b,i,ln)為L(zhǎng)CU中第b個(gè)像素原始亮度為i的像素點(diǎn)數(shù)，h(b,i,lm)為L(zhǎng)CU中第b個(gè)像素預(yù)測(cè)亮度為i的像素點(diǎn)數(shù)，q為最大灰度級(jí)。與K0103相比，它可以適應(yīng)不同復(fù)雜度的視頻序列，使得低復(fù)雜度的LCU不為零，對(duì)高復(fù)雜度的LCU更加敏感。為了更加準(zhǔn)確地估計(jì)LCU的復(fù)雜度，定義第n個(gè)LCU的PHOD相對(duì)復(fù)雜度度量因子PHODratio如下：

(2)

這里利用直接求平均的方法獲得前n-1個(gè)LCU的PHOD平均值。對(duì)于幀中已編碼LCU的紋理特性相似的情況，此方法效果很好。但是對(duì)于圖像局部場(chǎng)景發(fā)生變化，導(dǎo)致局部復(fù)雜度幅度變化劇烈的情況，再運(yùn)用這種方法效果就沒(méi)那么理想了。因此，為了獲得更加精確的PHODratio，本文采用加權(quán)求和的方法求PHOD的平均值WPHOD，其計(jì)算公式如下：

(3)

因此最終WPHODratio定義為：

(4)

1.2幀層量化參數(shù)QP和拉格朗日乘數(shù)λ的調(diào)整因子

Bin Li等在文獻(xiàn)[10]中提出比特對(duì)于拉格朗日乘數(shù)λ的變化更加敏感，并且較小的λ值會(huì)導(dǎo)致圖像有相對(duì)更高的圖像質(zhì)量，反之亦然。所以為了獲得相對(duì)高質(zhì)量平滑的圖像，本文對(duì)量化參數(shù)QP和拉格朗日乘數(shù)λ同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

由于I幀的QP由配置文件預(yù)先設(shè)置并且I幀和GOP中第一幀作為后面的參考幀，并沒(méi)有參與比特分配，那么這兩幀的QP和λ保持不變。

GOP中前一幀的實(shí)際編碼比特和分配的目標(biāo)比特的比值作為調(diào)整因子s，再根據(jù)s對(duì)當(dāng)前幀的QP和λ進(jìn)行調(diào)整，s由式(5)計(jì)算得到：

(5)

2法改進(jìn)后的整體碼率控制方案

2.1GOP層比特分配及幀層比特分配

在給定目標(biāo)比特率Rtar和幀率f的情況下，文獻(xiàn)[10]給出了GOP層的目標(biāo)比特和當(dāng)前幀分配的目標(biāo)比特的計(jì)算公式，分別由式(6)和式(7)表示。

(6)

(7)

其中，Ncoded為已編碼圖像數(shù)，Rcoded為已編碼幀消耗的比特?cái)?shù)，NGOP為GOP中圖像個(gè)數(shù)。這里采用滑動(dòng)窗口SW機(jī)制，可以適應(yīng)平滑場(chǎng)景切換的影響，其大小設(shè)置為40。CodedGOP是當(dāng)前GOP中已編碼比特?cái)?shù)，ωCurrPic是當(dāng)前幀的權(quán)重。

2.2LCU層比特分配

一般情況下，實(shí)際分配的比特大于目標(biāo)比特，這樣導(dǎo)致越靠近末尾的基本單元分到的比特會(huì)越小，針對(duì)這種情況本文提出一種新的LCU目標(biāo)比特方法，即根據(jù)第一節(jié)中的相對(duì)復(fù)雜度度量因子WPHODratio對(duì)未編碼LCU所獲得平均比特?cái)?shù)進(jìn)行調(diào)整，使目標(biāo)比特分配更加精確。那么LCU層比特分配偽代碼如下：

If (WPHODratio<1.8)

else If (WPHODratio<2.1)

偽代碼中，參數(shù)為實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)值，Tr表示未編碼LCU的剩余比特?cái)?shù)，Nr表示當(dāng)前幀中未編碼LCU數(shù)。用WPHODratio對(duì)LCU層目標(biāo)比特進(jìn)行調(diào)整，使得復(fù)雜度較大的LCU分配較多的目標(biāo)比特?cái)?shù)，反之亦然。相比較K0103碼率控制算法，該方法更能使LCU層編碼比特合理利用。

2.3實(shí)現(xiàn)目標(biāo)比特分配

得到目標(biāo)比特后，通過(guò)R-λ模型獲得QP和λ，其計(jì)算如下：

λ=α·bppβ

(8)

QP=4.2005lnλ+13.7122

(9)

其中，α和β是模型參數(shù)，初始值分別為3.2003和-1.367。

根據(jù)第1節(jié)可知，s能夠反映目標(biāo)比特分配的準(zhǔn)確性，所以根據(jù)s的不同取值，分別按照式(10)和式(11)對(duì)當(dāng)前幀QP和λ進(jìn)一步調(diào)整。

(10)

(11)

量化參數(shù)QP和拉格朗日乘數(shù)λ經(jīng)調(diào)整后，可使得碼率控制更加精確。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文在HEVC參考軟件HM10.0[11]中驗(yàn)證所提出的碼率控制算法的控制精度與編碼性能，并且采用IPPP編碼結(jié)構(gòu)的LD配置文件。考慮到時(shí)間和空間因素，仿真所用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列如表1所示。這些規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列包含了現(xiàn)在主要的應(yīng)用[12]。目標(biāo)碼率設(shè)置為不采用碼率控制算法時(shí)HM10.0的基準(zhǔn)碼率。將本算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與K0103碼率控制算法結(jié)果進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如表2和表3所示。

表1　測(cè)試序列的基本信息

表2　JCTVC-K0103算法和改進(jìn)算法的Y-PSNR的標(biāo)準(zhǔn)差

表3　JCTVC-K0103算法和改進(jìn)算法的碼率控制仿真結(jié)果

續(xù)表3

由于視頻序列的Y-PSNR標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映圖像的平滑度，另外考慮到圖像的紋理特性，測(cè)試序列BasketballPass局部運(yùn)動(dòng)劇烈、紋理復(fù)雜，Kimono紋理簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)較平緩，因此，我們選取這兩個(gè)測(cè)試序列的Y-PSNR標(biāo)準(zhǔn)差。從表2的仿真數(shù)據(jù)可以看出，本算法的PSNR值的標(biāo)準(zhǔn)差比K0103算法明顯降低，因此，本算法的視頻序列更加平穩(wěn)，從視覺(jué)角度來(lái)看，圖像的主觀質(zhì)量提高。表3中的仿真數(shù)據(jù)表明與K0103算法相比，本算法更能精確地控制碼率。另外，本算法的比特誤差范圍為0.000%～0.635%，而JCTVC-K0103的比特誤差范圍為0.019%～4.493%，所以本算法的碼率更接近于目標(biāo)碼率。由此可見(jiàn)，從碼率控制精度角度來(lái)看，所提出的算法有明顯的優(yōu)越性。此外，從表中還可以看出，本算法的PSNR平均比JCTVC-K0103大約提高了0.06 dB。因此，所提出算法在精確控制編碼碼率的同時(shí)，圖像的平均整體質(zhì)量略有提高。

圖1和圖2為Kimono和BasketballPass序列在QP=27情況下利用本算法與K0103算法得到的每幀圖像PSNR的對(duì)比圖。圖1反映了對(duì)于圖像紋理較簡(jiǎn)單和運(yùn)動(dòng)平緩的Kimono序列，本文提出的復(fù)雜度度量算法能夠較好地反映序列的運(yùn)動(dòng)劇烈程度，準(zhǔn)確地估計(jì)了局部運(yùn)動(dòng)劇烈的序列的復(fù)雜度，再加上本算法中編碼參數(shù)的調(diào)整使得圖像的整體質(zhì)量更加平滑。從圖2中可以看出，對(duì)于紋理復(fù)雜、存在快速運(yùn)動(dòng)的BasketballPass序列，本算法也有較好的效果，視頻序列的平均PSNR得到了提高，并且平滑度增加，而K0103算法對(duì)序列的局部運(yùn)動(dòng)情況不敏感，對(duì)于PSNR值的急速下降沒(méi)有進(jìn)行有效的控制。

圖1　Kimono測(cè)試序列在QP=27時(shí)的Y-PSNR對(duì)比圖

圖2　BasketballPass測(cè)試序列在QP=27時(shí)的Y-PSNR對(duì)比圖

4結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了HEVC的JCTVC-K0103碼率控制算法，針對(duì)該算法中LCU層圖像復(fù)雜度估計(jì)模型不夠準(zhǔn)確且QP和λ的計(jì)算沒(méi)有充分利用已編碼幀碼率控制的反饋信息，分別提出了一種PHOD復(fù)雜度度量方法和根據(jù)前一幀的實(shí)際比特和目標(biāo)比特的比值來(lái)調(diào)整當(dāng)前幀QP和λ的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了提出的碼率控制算法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)圖像的真實(shí)復(fù)雜度，充分利用了已編碼幀碼率控制的反饋信息，最終使得實(shí)際編碼碼率更接近目標(biāo)碼率，獲得較高平滑的視頻質(zhì)量。

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IMPROVING HEVC-BASED LCU LEVEL RATE CONTROL ALGORITHM

Rong QianqianYang Jing

(SchoolofInformationEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)

AbstractAiming at the inaccuracy in estimating image’s complexity by LCU level using mean absolute deviation (MAD) and the irrationality in bits allocation the HEVC rate control scheme has, we presented an LCU level rate control algorithm, which is based on linear weighted pixel histogram difference (PHOD). The algorithm introduces PHOD as the means of the relative complexity metric of images on LCU level, enables the target bits on LCU level to be adjusted reasonably and allocated accurately according to the complexity of images. At the same time, it utilises the feedback information of encoded frame code flow control to further adjust the quantitative parameters and Lagrange multipliers to obtain more accurate quantitative values and Lagrange multipliers. Simulation results indicated that: compared with the reference algorithm, the improved algorithm had good effect on video sequences in different moving situations, it could approach the target rate more, the fluctuation of image frames quality was reduced as well, and finally achieved a better subjective image quality and higher PSNR.

KeywordsHEVCRate controlLCU levelImage complexityPixel histogram difference

收稿日期：2014-12-09。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61404083)。榮倩倩，碩士生，主研領(lǐng)域：圖像分析與視頻處理。楊靜，副教授。

中圖分類(lèi)號(hào)TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.034