付文杰，何小海，熊淑華，林宏偉，卿粼波

(四川大學(xué)　電子信息學(xué)院，四川　成都　610065)

基于梯度的HEVC自適應(yīng)碼率控制算法研究

付文杰，何小海，熊淑華，林宏偉，卿粼波

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都610065)

摘要:針對(duì)新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC中的碼率控制問(wèn)題，提出了一種基于梯度的自適應(yīng)碼率控制算法。算法的主要特點(diǎn)是自適應(yīng)獲取每個(gè)LCU的梯度來(lái)表示其復(fù)雜度，根據(jù)復(fù)雜度分配LCU層目標(biāo)比特。同時(shí)，在分配幀層目標(biāo)比特時(shí)利用緩沖區(qū)的狀態(tài)信息，以使編碼器輸出的實(shí)際碼率更符合給定的目標(biāo)碼率，并使緩沖區(qū)滯留的數(shù)據(jù)盡量少，即傳輸時(shí)延盡量小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法與標(biāo)準(zhǔn)的HEVC碼率控制提案K0103相比，緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量平均減少約39.31%，峰值信噪比平均提高約0.54 dB，同時(shí)實(shí)際碼率與目標(biāo)碼率之間的碼率偏差平均降低約0.39%。

關(guān)鍵詞:HEVC；碼率控制；自適應(yīng)；梯度

1HEVC編碼

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，視頻分辨率逐漸提高，視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新，經(jīng)過(guò)MPEG、H.264/AVC等視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與完善，新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)(High Efficiency Video Coding，HEVC)誕生。HEVC與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比，具有更加有效靈活的編解碼方式[1]，編碼碼率相對(duì)于H.264/AVC節(jié)約了50%左右。

雖然HEVC編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮率相對(duì)于H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)更高，但是由于視頻序列每幀的信息量略有差異，使得編碼碼率大小有波動(dòng)。而在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)提供的帶寬一般是固定且有限的。因此，碼率控制問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生。本文算法在標(biāo)準(zhǔn)的HEVC碼率控制方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使每幀輸出比特?cái)?shù)盡量平穩(wěn)，以保證在有限帶寬下，實(shí)時(shí)傳輸編碼碼流，盡可能降低時(shí)延，同時(shí)避免緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出。

HEVC標(biāo)準(zhǔn)碼率控制過(guò)程分為兩步[2]，第一步是根據(jù)幀結(jié)構(gòu)、紋理復(fù)雜度等參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)比特分配；第二步是根據(jù)目標(biāo)比特更新編碼參數(shù)，進(jìn)行編解碼，最終得到實(shí)際比特。因此，目標(biāo)比特分配直接影響實(shí)際比特分配，對(duì)于碼率控制效果的優(yōu)化具有重要意義。

在視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)中，編解碼器中都設(shè)有緩沖區(qū)以暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量的大小代表該系統(tǒng)時(shí)延大小。為了實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，盡可能降低時(shí)延，必須降低緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量。文獻(xiàn)[2]在現(xiàn)有的R-λ模型基礎(chǔ)上提出了一種基于緩沖區(qū)狀態(tài)的碼率控制算法，設(shè)置較小的緩沖區(qū)，利用緩沖區(qū)狀態(tài)進(jìn)行碼率控制。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于梯度的幀內(nèi)碼率控制算法，通過(guò)建立幀內(nèi)平均像素梯度值與目標(biāo)比特之間的關(guān)系來(lái)達(dá)到碼率控制的目的，另外還提出一種新的目標(biāo)比特與QP(量化參數(shù))之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。文獻(xiàn)[4]在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)碼率控制模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在宏塊層與幀層之間增加了宏塊行層，并在幀層比特分配的過(guò)程中使用了緩沖區(qū)狀態(tài)反饋，使已編碼幀的緩沖區(qū)狀態(tài)對(duì)下一待編碼幀的碼率分配進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量，即降低了時(shí)延。

2HEVC標(biāo)準(zhǔn)碼率控制模型介紹

目前，HEVC標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制過(guò)程分為三層：GOP(圖像組)層、幀層和LCU(最大編碼單元)層。碼率控制模型經(jīng)歷了R-Q模型、R-ρ模型后，現(xiàn)在普遍使用的是模R-λ型。下面對(duì)碼率控制過(guò)程及三種模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1碼率控制過(guò)程

GOP層的碼率控制思想主要是利用提前設(shè)置的目標(biāo)碼率、序列幀率及GOP的大小等參數(shù)得到一個(gè)GOP的目標(biāo)比特[5]

(1)

式中：Rtar表示配置文件設(shè)置的目標(biāo)碼率；f表示測(cè)試序列的幀率；Ncoded表示已編碼幀數(shù)；Rcoded表示已編碼比特?cái)?shù)；sw表示平滑窗大小[6]；NGOP表示GOP的大小。

幀層目標(biāo)比特由TGOP、當(dāng)前幀在GOP中所占權(quán)重等參數(shù)決定。其中，對(duì)于全I(xiàn)幀，GOP大小為1，幀層目標(biāo)比特即GOP層目標(biāo)比特，Tpic=TGOP。對(duì)于非全I(xiàn)幀，每幀目標(biāo)比特的權(quán)重不同，具體權(quán)重在文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)介紹。模型如下[7]

(2)

式中：CodedGOP表示當(dāng)前GOP已編碼比特?cái)?shù)；ω表示當(dāng)前幀在GOP中所占權(quán)重。

LCU層目標(biāo)比特取決于當(dāng)前LCU的復(fù)雜度占其所在幀未編碼LCU的復(fù)雜度的權(quán)重

(3)

式中：Bitheader表示包含GOP標(biāo)志位、幀標(biāo)志位等數(shù)據(jù)在內(nèi)的編碼數(shù)據(jù)頭信息；CodedPic表示當(dāng)前幀已編碼比特?cái)?shù)；ω表示每個(gè)LCU在當(dāng)前幀中復(fù)雜度所占權(quán)重。

2.2碼率控制模型

文獻(xiàn)[3]介紹了最初始的碼率控制R-Q模型，其核心思想是將碼率R與量化參數(shù)Q之間建立一種二次關(guān)系，文獻(xiàn)[8]中提出了一種該模型的改進(jìn)模型。但是由于該模型存在很多缺點(diǎn)，如R-Q之間的“蛋雞悖論”問(wèn)題，該模型在HEVC中不予采納。

文獻(xiàn)[9]中建立了碼率R與參數(shù)ρ間的一種線性關(guān)系，即R-ρ模型。然而，該模型并沒有克服R-Q模型的缺點(diǎn)，因此實(shí)用性不強(qiáng)。

標(biāo)準(zhǔn)的HEVC碼率控制算法采用的是R-λ模型。R-D關(guān)系為D(R)=Ce-kR，其中C和k是與源數(shù)據(jù)特性相關(guān)的參數(shù)。令λ為R-D曲線的斜率，得到R-λ模型如下[10]

(4)

R-λ模型克服了R-Q模型的若干缺點(diǎn)，參數(shù)λ在率失真優(yōu)化(RDO)之前根據(jù)目標(biāo)碼率確定，調(diào)整λ的值就可以調(diào)整目標(biāo)碼率，而且比QP更精確等。因此，模型是目前最常用的碼率控制模型，本文算法實(shí)驗(yàn)環(huán)境HEVC也是采用該模型。

3基于梯度的自適應(yīng)碼率控制算法

碼率控制算法的目的在于利用圖像信息盡可能精確地預(yù)測(cè)目標(biāo)比特，從而更精確地更新編碼參數(shù)，得到更準(zhǔn)確的實(shí)際比特。而預(yù)測(cè)目標(biāo)比特通常采用的是復(fù)雜度權(quán)重的方法，常見的復(fù)雜度表示方式有MAD、SATD以及Sobel算子等。文獻(xiàn)[11]改進(jìn)了H.264/AVC的幀內(nèi)碼率控制算法，該改進(jìn)算法將梯度作為復(fù)雜度的表示方式應(yīng)用到H.264/AVC的R-Q模型中，模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)更新，使碼率控制性能得到提升。文獻(xiàn)[12]在H.264/AVC框架中證明了利用當(dāng)前宏塊與參考幀同位置宏塊之間的絕對(duì)誤差和SAD在幀間編碼中表示復(fù)雜度的有效性，間接證明了梯度表示復(fù)雜度的算法在幀間預(yù)測(cè)編碼的適用性。

結(jié)合文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]中的核心思想，本文主要介紹一種改進(jìn)的基于梯度的自適應(yīng)碼率控制算法。本文中的自適應(yīng)概念主要是針對(duì)非I幀圖像，分別獲取當(dāng)前幀每個(gè)LCU的幀內(nèi)、幀間梯度，當(dāng)前LCU的復(fù)雜度選擇二者的較小值，以LCU復(fù)雜度占當(dāng)前幀總復(fù)雜度的比例來(lái)分配每個(gè)LCU的目標(biāo)比特。同時(shí)，除第一幀外，每幀進(jìn)行目標(biāo)比特分配時(shí)利用已編碼幀緩沖區(qū)狀態(tài)信息調(diào)節(jié)目標(biāo)比特分配，減少緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量，從而降低時(shí)延。

3.1梯度表示方法

參考文獻(xiàn)[11]中H.264/AVC宏塊梯度的表示方法，建立HEVC幀內(nèi)基于梯度的復(fù)雜度計(jì)算模型如下 [12]中介紹的幀間表示復(fù)雜度的方式，建立幀間基于梯度的復(fù)雜度模型如下

Gintra(i,j,k)=

(5)

式中：Ix,y,k表示第k幀坐標(biāo)為(x，y)位置的像素亮度。HEVC中LCU的尺寸是64×64，本文算法為了降低計(jì)算復(fù)雜度，采用隔點(diǎn)采樣的方式求解LCU梯度。

R(x,y)=If(x,y)-Ir(x,y)

(6)

式中：If(x,y)表示當(dāng)前位置像素亮度；Ir(x,y)表示參考幀同位置像素亮度；R(x,y)即當(dāng)前位置像素與參考幀同位置像素亮度之差；Ginter(i,j,k)為幀間梯度。

幀總梯度為當(dāng)前幀所有LCU梯度的累加和

(7)

式中：對(duì)于LCU的梯度GLCU(i,j,k)，若當(dāng)前幀為I幀，則直接采用幀內(nèi)梯度表示當(dāng)前LCU的復(fù)雜度，若當(dāng)前幀為非I幀，則獲取當(dāng)前LCU的幀間梯度和幀內(nèi)梯度，取較小值作為當(dāng)前LCU復(fù)雜度的度量。

3.2緩沖區(qū)狀態(tài)及比特分配

本文算法重點(diǎn)改善了幀層和LCU層目標(biāo)比特分配，而GOP層目標(biāo)比特分配方式以及編碼參數(shù)更新方式仍按照標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行。

根據(jù)式(2)得到幀層目標(biāo)比特(后面稱為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特)后，設(shè)定緩沖區(qū)的大小為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特的1/3。對(duì)于除第一幀以外的幀，幀層目標(biāo)比特的分配由所有已編碼幀累加的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量進(jìn)行反饋調(diào)整，調(diào)整后的目標(biāo)比特稱為修正目標(biāo)比特。緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量計(jì)算方式為

(8)

式中：Bitsactual表示每個(gè)LCU實(shí)際編碼比特；Bitssize表示與LCU尺寸成正比的固定比特，已編碼幀的所有LCU的差值累加即當(dāng)前幀的緩沖區(qū)狀態(tài)。

緩沖區(qū)反饋調(diào)整的主要目的是使當(dāng)前幀的目標(biāo)比特更加精確，編碼后得到更加精確的實(shí)際比特，從而使當(dāng)前幀累加到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量有所調(diào)整。緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量對(duì)幀層目標(biāo)比特的具體調(diào)整方式為

(9)

根據(jù)式(9)得到的幀層修正目標(biāo)比特進(jìn)行LCU層的目標(biāo)比特分配。遍歷每個(gè)LCU，獲取其幀內(nèi)梯度，若為非I幀，則獲取幀間梯度，取幀內(nèi)幀間梯度的較小值作為當(dāng)前LCU的梯度，以其梯度權(quán)重分配目標(biāo)比特并進(jìn)行編碼參數(shù)更新。

3.3本文算法具體流程

綜合前文所述，本文算法的核心思想是對(duì)復(fù)雜度表示方式及幀層目標(biāo)比特分配進(jìn)行改進(jìn)。復(fù)雜度表示方式采用幀內(nèi)幀間梯度中的較小值，幀層目標(biāo)比特分配過(guò)程利用了緩沖區(qū)狀態(tài)信息。具體算法流程如下，流程圖如圖1所示。

1)根據(jù)視頻序列的目標(biāo)碼率、幀率、GOP大小分配GOP層和幀層的目標(biāo)比特(若為第一幀，則采用標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特，若不是第一幀，則采用修正目標(biāo)比特)。

2)計(jì)算當(dāng)前幀每個(gè)LCU的幀內(nèi)梯度表示復(fù)雜度。

3)判斷當(dāng)前幀是否為I幀，若是，則直接采用幀內(nèi)梯度表示復(fù)雜度，否則計(jì)算幀間梯度，取幀內(nèi)幀間梯度的較小值作為當(dāng)前LCU的復(fù)雜度。

4)根據(jù)當(dāng)前幀每個(gè)LCU的復(fù)雜度占幀總復(fù)雜度的比例為每個(gè)LCU分配目標(biāo)比特。

5)根據(jù)每個(gè)LCU尺寸占當(dāng)前幀尺寸的比例分配標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)比特，即固定帶寬。

6)每個(gè)LCU的實(shí)際編碼比特與固定帶寬的差值進(jìn)行累加，即為緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量。

7)下一幀進(jìn)行目標(biāo)比特分配時(shí)由所有的已編碼幀累加的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量進(jìn)行調(diào)整，得到下一幀的修正目標(biāo)比特。

圖1　本文算法流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了與K0103提案比較實(shí)驗(yàn)效果，本文實(shí)驗(yàn)采用只包含K0103提案的HEVC標(biāo)準(zhǔn)HM10.0測(cè)試模型。配置文件使用encoder_lowdelay_P_main，文件中設(shè)置GOP的大小為4。選取8個(gè)不同分辨率的標(biāo)準(zhǔn)YUV視頻序列的前200幀分別在量化參數(shù)QP為22，27，32的情況下進(jìn)行測(cè)試。另外，為了證明本文算法對(duì)突變圖像同樣具有普適性，將4個(gè)具有不同紋理特性的大小為832×480的標(biāo)準(zhǔn)YUV序列分別取前30幀，拼接成一個(gè)120幀的拼接YUV序列，即表1中的pinjie832×480。

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為CPU為intelcorei5 3470 3.2GHz及內(nèi)存為4Gbyte的PC。為了客觀地分析本文算法，將不使用碼率控制的情況下得到的實(shí)際碼率作為碼率控制的目標(biāo)碼率，在使用碼率控制情況下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)K0103提案和本文改進(jìn)算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

表1給出的是9個(gè)YUV視頻序列在不同QP下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Δr表示的是標(biāo)準(zhǔn)算法和改進(jìn)算法的實(shí)際碼率分別與目標(biāo)碼率相比的碼率偏差。ΔPSNR表示改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)算法之間峰值信噪比之差

(10)

ΔPSNR=PSNRProposed-PSNRHM10.0

(11)

由結(jié)果可知，本文改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)HM10.0相比，碼率偏差平均約降低了0.39%，峰值信噪比平均提高了0.54dB。而且對(duì)于拼接序列，本文算法也具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，充分證明了本文碼率控制算法的普適性。

對(duì)于本文增加的緩沖區(qū)的概念，所有已編碼幀的每個(gè)LCU實(shí)際比特與固定帶寬之間的差值累加即當(dāng)前幀的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量。表2給出了9個(gè)視頻序列前200幀平均緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量。表示改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)算法相比，平均每幀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量差值百分比。

(12)

由結(jié)果可知，本文改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)HM10.0相比，緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)最低降低11.86%，最高降低81.84%，平均降低約39.31%。因此，本文算法在固定帶寬情況下，緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量大幅度減少，在低延時(shí)固定帶寬情況下有較好的應(yīng)用前景。

圖2、圖3分別為序列RaceHorses_416×240_30在QP為22時(shí)和序列Johnny_1 280×720_60在QP為27時(shí)的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量對(duì)比。由圖中曲線可以看出，本文算法緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量與K0103相比有很大程度的減少，進(jìn)一步論證了本文算法的優(yōu)越性。

圖2　RaceHorses QP=22緩沖區(qū)狀態(tài)

圖3　Johnny QP=27緩沖區(qū)狀態(tài)

為了驗(yàn)證本文改進(jìn)算法碼率控制的平穩(wěn)性效果，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)HM10.0算法每幀編碼實(shí)際輸出比特。圖4、圖5分別為序列RaceHorses_416×240_30在QP為22和序列Johnny_1 280×720_60在QP為27時(shí)每幀實(shí)際輸出比特。由圖中可以看出，本文改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)算法K0103相比，實(shí)際輸出比特更加平穩(wěn)，可以有效避免壓縮碼流在固定帶寬傳輸情況下發(fā)生緩沖區(qū)上溢或者下溢。

表1改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)HM10.0碼率及PSNR對(duì)比

序列名稱QP目標(biāo)碼率/(bit·s-1)實(shí)際碼率/(bit·s-1)Δr/%HM10.0改進(jìn)HM10.0改進(jìn)ΔPSNR/dBRaceHorses416×240224809456481670248222620.150.270.69272883536289144428921390.270.290.73321544036155151415478220.480.250.68BasketballPass416×240222210216222189822167840.520.290.53271157022116952411661861.080.790.50325969386047946004001.320.580.30BQMall832×480222685452626930770269015350.280.180.37271611265416184762161621230.450.310.68329419342949952294483320.850.310.74PartyScene832×480221842129618536174184501340.620.160.72279790100988188298565180.930.680.49325428650551185054737521.530.830.14Johnny1280×720221979156219907314198034340.580.060.29271105478411162875110902220.980.320.52326353335642807463879701.180.550.76FourPeople1280×720229037534915763491114101.330.820.99275118264516451251239450.910.110.40323094790311392631001450.620.170.27BasketballDrive1920×1080227113323871238634712858240.150.210.39272929825029397710293698920.340.240.73321510922415189728151453620.530.240.59BQTerrace1920×1080227527441175461088753311330.250.080.31272281362722912274228749880.430.270.41321092550110946234109356620.190.090.37pinjie832×480222761575027870870277913770.920.640.81271668155016864123168151731.090.800.803297972631006165098786402.690.830.34平均————0.770.380.54

5結(jié)論

本文的碼率控制算法利用視頻圖像的紋理特性及幀間相似性，在進(jìn)行LCU層目標(biāo)比特分配時(shí)采用了自適應(yīng)的幀內(nèi)幀間梯度選擇算法，利用梯度權(quán)重分配目標(biāo)比特。在幀層目標(biāo)比特分配時(shí)采用了緩沖區(qū)狀態(tài)反饋，調(diào)整幀層目標(biāo)比特分配，使實(shí)際輸出比特更加精確。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文改進(jìn)算法與K0103相比，碼率偏差平均降低了約0.39%，峰值信噪比平均提高了約0.54dB，同時(shí)在固定帶寬情況下，本文算法的緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量平均減少了約39.31%，同時(shí)實(shí)際傳輸比特更加平穩(wěn)，可以有效避免緩沖區(qū)溢出。

[1]SULLIVANGJ，OHMJR，HANWJ，etal.Overviewofthehighefficiencyvideocoding(HEVC)standard[J].IEEEtransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology，2012， 22(12)： 1649-1668.

表2改進(jìn)算法與標(biāo)準(zhǔn)HM10.0所需最大帶寬及緩沖區(qū)滯留數(shù)據(jù)量對(duì)比

序列名稱QPBufused/bitHM10.0改進(jìn)Δbufused/%RaceHorses416×240222214894784634-64.57271743324987536-43.35321133919758803-33.08BasketballPass416×24022951508578078-39.2527563738384138-31.8632317375236169-25.59BQMall832×4802276637884497174-41.322759102513766256-36.283238198282562047-32.93PartyScene832×4802286232025905435-31.522753753454266216-20.633232431372857657-11.89Johnny1280×7202263797021523254-76.12273844618698039-81.843228466451155708-59.40FourPeople1280×7202237239951270604-65.882725462601864394-26.783216400161429376-12.84BasketballDrive1920×1080222656018214188638-46.5827137559108154489-40.723267220053866767-42.48BQTerrace1920×10802227563031165206900-40.0427112367248174444-27.253259085075207716-11.86pinjie832×4802268695413586887-47.792756834953583507-36.953239714032677698-32.58平均———-39.31

圖4　RaceHorses QP=22每幀實(shí)際比特

圖5　Johnny QP=27每幀實(shí)際比特

[2]YANGZZ，LIS，LUOZY，etal.LowdelayratecontrolforHEVC[C]//Proc. 2014IEEEInternationalSymposiumonBroadbandMultimediaSystemsandBroadcasting(BMSB).[S.l.]：IEEE， 2014：1-5.

[3]TIANL，ZHOUYM，CAOXJ.Anewrate-complexity-QPalgorithm(RCQA)forHEVCintra-pictureratecontrol[C]//Proc. 2014InternationalConferenceonComputing，NetworkingandCommunications(ICNC).[S.l.]：IEEE，2014：375-380.

[4]LEEYG，SONGBC.AnIntra-frameratecontrolalgorithmforultralowdelayH.264/advancedvideocoding(AVC)[J].IEEEtransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology，2009，19(5)：747-752.

[5]WANGMH，LIHL.Anefficientframe-contentbasedintraframeratecontrolforhighefficiencyvideocoding[J].IEEEtransactionsonsignalprocessingletters，2014，22(7)：896-900.

[6]XUL，ZHAOD，JIX，etal.Window-levelratecontrolforsmoothpicturequalityandsmoothbufferoccupancy[J].IEEEtransactionsonimageprocessing，2011，20(3)： 723-734.

[7]LIB，LIL，LIHQ.RatecontrolbyR-lambdamodelforHEVC[C]//Proc.JointCollaborativeTeamonVideoCoding(JCT-VC)ofITU-TSG16WP3andISO/IECJTC1/SC29/WG11，11thMeeting.Shanghai：IEEE，2012：29-34.

[8]LIZG，PANF，LIMKP，etal.AdaptivebasicunitlayerratecontrolforJVT[C]//Proc.JointVideoTeam(JVT)ofISO/IECMPEG&ITU-TVCEG，DocJVT-G012-r1， 7thMeetingPattayaII.Thailand：IEEE，2003：76-82.

[9]HEZ，KIMYK，MITRAS.Low-delayratecontrolforDCTvideocodingvia-domainsourcemodeling[J].IEEEtransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology，2001，11(8)：928-940.

[10]LIB，LIHQ，LIL，etal.λdomainratecontrolalgorithmforhighefficiencyvideocoding[J].IEEEtransactionsonimageprocessing，2014， 23(9)： 3841-3854.

[11]JINGX，CHAULP，SIUWC.Framecomplexity-basedrate-quantizationmodelforH.264/AVCintraframeratecontrol[J].IEEEtransactionsonsignalprocessingletters，2008(15)：373-376.

[12]WUD，PANF，LIMKP，etal.FastintermodedecisioninH.264/AVCvideocoding[J].IEEEtransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology，2005，15(7)：953-958.

付文杰，女，碩士生，主要研究方向?yàn)閳D像通信；

何小海，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閳D像處理、模式識(shí)別和圖像通信；

熊淑華，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信；

林宏偉，博士生，主要研究方向?yàn)閳D像通信；

卿粼波，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閳D像處理、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)電一體化。

責(zé)任編輯：時(shí)雯

Adaptive rate control algorithm based on gradient for HEVC

FU Wenjie，HE Xiaohai，XIONG Shuhua，LIN Hongwei，QING Linbo

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065,China)

Abstract:Due to the problems such as rate control of the high efficiency video coding standard， an adaptive rate control algorithm based on gradient is proposed. In the algorithm， each LCU’s gradient is adaptively obtained to represen its complexity， and then target bits depending on the complexity of the LCU is allocated.At the same time，in order to make the actual bits of each frame as closely as possible to the target bits， the buffer status feedback is used to minimize the delayed buffer data . The experimental results show that compared with the rate control algorithm in HEVC standard， the delayed buffer data is reduced about 39.31%， the peak signal-noise ratio (PSNR) is increased about 0.54 dB， and the bitrate error is reduced about 0.39% on average.

Key words:HEVC； rate control； adaptive； gradient

中圖分類號(hào)：TN919.81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.001

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471248)；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015JY0189)；四川省教育廳2014年研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-教-034)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-11-23

文獻(xiàn)引用格式：付文杰，何小海，熊淑華，等. 基于梯度的HEVC自適應(yīng)碼率控制算法研究[J].電視技術(shù)，2016，40(4)：1-6.

FU W J，HE X H，XIONG S H，et al. Adaptive rate control algorithm based on gradient for HEVC [J].Video engineering，2016，40(4)：1-6.