一種宏塊級碼率控制方案*

程 飛，鄒雪妹，滕國偉，王國中

（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）

1 引言

對于視頻通信，由于通信帶寬有限，需要對視頻編碼碼率進(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)都對其進(jìn)行了廣泛的研究。針對不同的應(yīng)用場合，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算法對于宏塊級碼率控制，在實際實現(xiàn)中，不僅需要保存每個宏塊的相關(guān)參數(shù)，而且每個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，計算復(fù)雜度較高，不能很好地滿足實際應(yīng)用的需要。

如果能在RDO模式判別前可以預(yù)測出當(dāng)前幀的編碼復(fù)雜度、計算出達(dá)到目標(biāo)比特數(shù)所需的量化級當(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)性來預(yù)測，這在序列變化劇烈和場景發(fā)生變化的情況下很難預(yù)測準(zhǔn)確。宏塊級碼控與幀級碼控相比，優(yōu)點當(dāng)然是控制準(zhǔn)確，缺點就是要花費很多比特數(shù)去編ΔQP。ΔQP越大，不為零的數(shù)越多，所耗的比特數(shù)就越多，PSNR值就會相應(yīng)降低，圖像質(zhì)量也就相應(yīng)變差。所以宏塊級碼控方案應(yīng)該盡量減少不必要的比特數(shù)浪費，以求在控制精度的同時有較高的圖像質(zhì)量。

2 宏塊級碼率控制算法

在CAVLC中對DCT系數(shù)采用游程編碼，而游程編碼主要是對零的游程長度和非零數(shù)進(jìn)行編碼，所以在一定程度上游程長度和非零數(shù)可以反映出對DCT系數(shù)編碼所耗的比特數(shù)。因此，可以利用DCT系數(shù)量化后零的游程和非零數(shù)來預(yù)測出DCT系數(shù)編碼所耗的比特數(shù)[4]。宏塊的頭信息主要包括宏塊類型、參考索引、運動向量差值、編碼塊模式、量化參數(shù)差值等，其中只有運動向量差值是隨著情況的不同而大量變化的，其他參數(shù)所用比特數(shù)基本上相對固定[5]。本文用運動向量的個數(shù)和運動向量差值的非零數(shù)預(yù)測宏塊頭比特數(shù)。但在H.264編碼中不管是要得到游程長度和非零數(shù)，還是要得到運動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)量化后的信息估計當(dāng)前宏塊可能產(chǎn)生的比特數(shù)，并與目標(biāo)比特數(shù)進(jìn)行比較，來判斷當(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)雜度會大大提升，而且需要消耗大量比特數(shù)對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，避免不必要的比特數(shù)浪費，提高圖像質(zhì)量。

本文的碼率控制算法除每個GoP中的第一個P幀外，對所有其他幀間預(yù)測的幀進(jìn)行控制。如果對每個GoP的第一個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，碼率控制會有較大誤差，因此沿用JVT-G012的方法，對于每個GoP中I幀和第一個P幀采用預(yù)定義的量化參數(shù)進(jìn)行編碼，碼率控制只對每個GoP的第二個P幀開始的所有幀間預(yù)測圖像進(jìn)行控制。此外，在GoP、幀級目標(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)比特數(shù)；

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

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

5）根據(jù)運動向量的差值確定當(dāng)前宏塊頭的比特數(shù)；

6）根據(jù)亮度和色度量化后零的游程長度和、非零數(shù)的數(shù)目及非零數(shù)的和來預(yù)測當(dāng)前宏塊殘差值產(chǎn)生的比特數(shù)；

7）根據(jù)5），6）兩步，預(yù)測當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)并與目標(biāo)比特數(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 宏塊級目標(biāo)比特數(shù)的分配和當(dāng)前宏塊所耗比特數(shù)的預(yù)測

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

1）宏塊級目標(biāo)比特數(shù)的分配

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

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

2）當(dāng)前宏塊所耗比特數(shù)的預(yù)測

DCT系數(shù)所耗比特數(shù)TBmb（qp）的預(yù)測

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

宏塊頭所耗比特數(shù)HBmb（qp）的預(yù)測

式中： MVn（qp）為運動向量的個數(shù)； MVDnz（qp）為運動向量差值非零的個數(shù)。

計算預(yù)測的宏塊比特數(shù) TBmb（qp）+HBmb（qp）與宏塊分配的目標(biāo)比特數(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。

可以通過調(diào)節(jié)閾值THMAX和系數(shù)a，b，c來實現(xiàn)在保證精度的情況下，充分利用比特數(shù)提升圖像質(zhì)量。

4 實驗結(jié)果和分析

在JVT的校驗?zāi)Ｐ蚃M86上實現(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。實驗使用標(biāo)準(zhǔn)的CIF測試序列：news，bus，foreman，mobile，football和 tempete。 實驗條件按照實際應(yīng)用要求確立，幀率為25f/s（幀/秒），給定第一個I幀的QP為28，其他測試條件如表1。實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可見，本文的碼率控制算法碼率控制得很好，PSNR值也很高。

表1 測試條件

表2 兩種算法碼率控制效果對比

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質(zhì)量。圖2給出了兩種方法下foreman和tempete各幀的比特數(shù)，本算法各幀所產(chǎn)生的比特數(shù)與目標(biāo)比特數(shù)的匹配情況比JVT-G012更好，更精確地計算出了達(dá)到目標(biāo)比特數(shù)所需的量化級。

5 結(jié)語

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

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當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，因為是利用當(dāng)前宏塊量化后的信息來估計當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，估計準(zhǔn)確性比較高。而且本算法只是利用已有的信息進(jìn)行簡單的線性運算來判斷當(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單率失真模型基礎(chǔ)上的宏塊級算法。該算法充分利用了宏塊的實際編碼特性，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。

[1]LEE H J，CHIANG T.Scalable rate control for MPEG-4 video[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2000，10（6）：878-894.

[2]RIBAS-CORBERA J，LEI S.Rate control in DCT video coding for low-delay communications[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1999，9（1）：172-185.

[3]LI Z G，PAN F，LIM K P.Adaptive basic unit layer rate control for JVT，JVT-GO12[C]//Joint Video Team of ISO/IEC and IIU 7th Meeting.Pattaya，Thailand：JVT，2003.

[4]CHAN D-Y，CHANG C-Y.Low-complexity two-stage rate-control with succinct DCT-abundance modeling and consistence enhancement for low-delay video coding[R].JVCI-08-371.

[5]ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 and ITU-T SG16 Q.6，H.264/MPEG-4 AVC Reference Software Manual[S].2005.

[6]TSAI J C，HSIEH C H.Modified TMN8 rate control for low-delay video communication[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2004，14（6）：864-868.

[7]CHIANG T，ZHANG Y.A new rate control scheme using quadratic rate distortion model[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1997，7（1）：246-250.

[8]WEI J，SOONG B H，LI Z G.A new rate-distortion model for video transmission using multiple logarithmic functions[J].IEEE Signal Processing Letters，2004，11（8）：694-697.