視頻編碼線性碼率控制模型

(西安電子科技大學(xué) ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

1 引 言

視頻壓縮的最終目的是占用較少的資源，獲得較高的視頻質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，考慮可用資源受限的條件下，為使接收端獲得質(zhì)量最好的恢復(fù)視頻質(zhì)量，碼率控制成為視頻編碼器的重要組成部分[1]。碼率控制是指為編碼器確定編碼參數(shù)對(duì)視頻進(jìn)行編碼，使得接收端恢復(fù)視頻的質(zhì)量在信道帶寬、編碼器緩沖區(qū)大小等受限的條件下盡可能高。目前，H.264/AVC[2]的參考軟件[3]將JVT-G012[4]和JVT-W042[5]作為其推薦使用的碼率控制方案。

現(xiàn)有的碼率控制機(jī)制普遍通過(guò)建立碼率-量化步長(zhǎng)(R-Qstep)模型[6-9]為編碼器確定編碼參數(shù)，比如JVT-G012和JVT-W042采用的二次模型[7]。在H.264/AVC中，量化步長(zhǎng)不能直接作為編碼參數(shù)。通過(guò)R-Qstep模型確定量化步長(zhǎng)后，需要將量化步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為量化參數(shù)才能對(duì)視頻進(jìn)行編碼。由于Qstep到QP的轉(zhuǎn)換過(guò)程存在舍入誤差，采用R-Qstep模型進(jìn)行碼率控制會(huì)使最終確定的QP所對(duì)應(yīng)的量化步長(zhǎng)與計(jì)算所得的量化步長(zhǎng)之間存在差異，進(jìn)而使得編碼碼率與目標(biāo)碼率之間存在大的偏差、編碼器緩沖區(qū)狀態(tài)產(chǎn)生大的波動(dòng)，并使恢復(fù)的視頻質(zhì)量下降。本文通過(guò)理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到碼率(R)與QP的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了R-QP模型，并利用該模型進(jìn)行速率控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提模型的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)學(xué)模型

視頻失真與編碼碼率之間的關(guān)系為[10]

(1)

式中，D為編碼視頻的均方誤差(Mean Square Error,MSE)失真，δ和r為模型參數(shù)，RT表示紋理信息編碼比特?cái)?shù)?；謴?fù)視頻的峰值信噪比(PSNR)與D之間的關(guān)系為

P=10×lg(2552/D)

(2)

式中，P為恢復(fù)視頻的PSNR。分別對(duì)式(1)、式(2)左右兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)并聯(lián)立可得：

2×lg255-0.1·P=(1-2r)·lgRT+2·lgδ

(3)

進(jìn)而有式(4)成立：

P=algRT+b

(4)

式中，a和b為模型參數(shù)。式(4)表明P與lgRT之間存在線性關(guān)系。文獻(xiàn)[11]中指出，P與QP之間存在著線性關(guān)系，則得：

lgRT=α·QP+β

(5)

式中，α和β為模型參數(shù)，QP表示量化參數(shù)(QP)。式(5)表明lgRT與QP之間存在線性關(guān)系。

為驗(yàn)證式(5)所示的模型，表1統(tǒng)計(jì)了不同序列的lgRT與QP之間的相關(guān)系數(shù)。由表1可以看出，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值幾乎接近1，表明lgRT與QP之間存在線性關(guān)系，證明了本文提出模型的正確性。

表1 lgRT與QP之間的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 The statistical results of the correlation coefficient between lgRT and QP

3 QP的計(jì)算

本文依據(jù)相鄰幀之間的相關(guān)性確定當(dāng)前幀的QP。用Rttbe(i,j)表示第i個(gè)GOP中的第j幀的目標(biāo)紋理信息編碼比特?cái)?shù)(The Number of Target Texture Bits Encoded,Rttbe)，Ratbe(i,j)表示第i個(gè)GOP中的第j幀的實(shí)際紋理信息編碼比特?cái)?shù)(The Number of Actual Texture Bits Encoded,Ratbe)，QP(i,j)表示第i個(gè)GOP中的第j幀的量化參數(shù)。每個(gè)GOP中前兩幀的QP按照已有的方法確定。對(duì)第i個(gè)GOP中的第j(j>2)幀確定QP的具體方法如下：

(1)判斷當(dāng)前幀的前兩幀的QP是否相同。若QP(i，j-1)不等于QP(i，j-2)，則直接利用前兩個(gè)已編碼幀的數(shù)據(jù)，計(jì)算R-QP模型的參數(shù)α和β，如式(6)、(7)所示，繼而可計(jì)算出當(dāng)前幀的QP。

(6)

β={QP(i,j-1)×lg(Ratbe(i,j-2))-

QP(i,j-2)×lg(Ratbe(i,j-1))}·

{QP(i,j-1)-QP(i,j-2)}-1

(7)

(2)若QP(i，j-1)等于QP(i，j-2)，首先采用式(8)檢測(cè)已編碼幀的QP是否準(zhǔn)確，若式(8)成立，即已編碼幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)的均值和實(shí)際編碼比特?cái)?shù)的均值之間的差值小于門(mén)限值T1，則說(shuō)明已編碼幀的QP選擇較為合理，進(jìn)而可以采用滑動(dòng)窗口中的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前幀的QP。

(8)

式中，K為滑動(dòng)窗口的長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)中取值為5。

其次，依據(jù)式(9)，在滑動(dòng)窗口記錄的各幀實(shí)際編碼比特?cái)?shù)中尋找與當(dāng)前幀目標(biāo)比特?cái)?shù)最相近的幀：

(9)

若當(dāng)前幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)和第j-m幀的實(shí)際編碼比特?cái)?shù)的差值小于門(mén)限值T2，如式(10)所示，根據(jù)相鄰幀之間的相關(guān)性，可以采用第j-m幀的QP對(duì)當(dāng)前幀進(jìn)行編碼：

|Rttbe(i,j)-Ratbe(i,j-m)|

(10)

若式(8)或者式(10)不成立，則通過(guò)判斷前一幀的實(shí)際紋理信息編碼比特?cái)?shù)Ratbe(i,j-1)與當(dāng)前幀的目標(biāo)紋理信息編碼比特?cái)?shù)Rttbe(i,j)的大小，確定當(dāng)前幀的QP，如式(11)所示：

(11)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用本文提出的模型與JVT-W042(記為“JM RC”)進(jìn)行測(cè)試。在不同目標(biāo)碼率條件下，通過(guò)比較編碼碼流的緩沖區(qū)狀態(tài)、實(shí)際編碼碼率以及恢復(fù)視頻的PSNR驗(yàn)證提出模型的有效性。實(shí)驗(yàn)中采用H.264/AVC 參考軟件JM15.1[3]為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行碼率控制。采用IPPP編碼結(jié)構(gòu)，GOP長(zhǎng)度選為30，qcif序列的目標(biāo)碼率分別為18 kbit/s、24 kbit/s、36 kbit/s和48 kbit/s，cif序列的目標(biāo)碼率分別為64 kbit/s、96 kbit/s、144 kbit/s和168 kbit/s。在碼率控制中，緩沖區(qū)大小Bs設(shè)置為目標(biāo)碼率，當(dāng)緩沖區(qū)占有度Bc大于Bs的0.8倍時(shí)，進(jìn)行跳幀處理。

圖1比較了提出的模型與JVT-W042的緩沖區(qū)占有度。由圖1可以看出，提出的模型其緩沖區(qū)占有度比 JVT-W042的緩沖區(qū)占有度小。

(a)carphone(48 kbit/s)

(b)foreman(64 kbit/s)

(c)carphone(72 kbit/s)

(d)foreman(120 kbit/s)圖1 緩沖區(qū)占有度之間的比較曲線Fig.1 Comparison curves of the current buffer fullness

圖2給出了采用提出的模型與JVT-W042進(jìn)行碼率控制后的恢復(fù)視頻質(zhì)量PSNR的比較。由圖2可以看出，與JVT-W042相比，提出的模型其PSNR變化較為平緩，質(zhì)量更加穩(wěn)定。由于JVT-W042碼率控制不夠準(zhǔn)確，使得緩沖區(qū)占有度較大，出現(xiàn)跳幀，從而，導(dǎo)致了視頻質(zhì)量的急劇下降。

(a)carphone.qcif(48 kbit/s)

(b)foreman.qicf(64 kbit/s)

(c)carphone.cif(72 kbit/s)

(d)foreman.cif(120 kbit/s)圖2 PSNR比較曲線Fig.2 Comparison curves of PSNR

表2和表3分別給出了qcif和cif序列在采用提出的模型和JVT-W042進(jìn)行碼率控制之后的實(shí)際編碼碼率和恢復(fù)視頻的PSNR，其中，ΔPSNR表示提出模型的平均編碼質(zhì)量的增益；Bpa表示實(shí)際編碼碼率與目標(biāo)碼率之間的相近程度，可由式(12)計(jì)算得到：

Bpa=(1-|T-A|/T)×100%

(12)

式中，T表示目標(biāo)碼率，A表示實(shí)際編碼碼率。

由表2和表3可知，與JVT-W042相比，采用提出的模型進(jìn)行碼率控制，得到的恢復(fù)視頻的質(zhì)量有所提高：對(duì)于qcif格式的序列，PSNR平均提高了1.21 dB；對(duì)于cif格式的序列，PSNR平均提高了1.72 dB；對(duì)于這兩種序列，PSNR平均提高了1.46 dB。此外，提出模型的編碼碼率要比JVT-W042的碼率更接近目標(biāo)碼率。

表2 提出的模型和JM RC 的PSNR以及RATE統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The statistical results of PSNR and RATE gained by the proposed model and JM RC

表3 提出的模型和JM RC 的PSNR以及RATE統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The statistical results of PSNR and RATE gained by the proposed model and JM RC

5 結(jié) 論

為提高視頻編碼器碼率控制的性能，本文提出了一種碼率-量化參數(shù)模型。該模型能夠直接確定量化參數(shù)，避免了已有算法中通過(guò)量化步長(zhǎng)確定量化參數(shù)的過(guò)程中的舍入誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的模型可以使緩沖區(qū)占有度更小，實(shí)際編碼碼率更接近目標(biāo)碼率，視頻質(zhì)量波動(dòng)更小。此外，與H.264/AVC采用的碼率控制機(jī)制相比，提出的模型可以獲得更高的PSNR。由于該模型具有良好的性能，可廣泛應(yīng)用于各種速率控制算法以及其它使用率失真模型的場(chǎng)合，以提高視頻編碼器的率失真性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chen Z C, Ngan K N. Recent advances in rate control for video coding [J]. Signal Processing，2007,22(1):19-38.

[2] ITU-T Recommendation H.264 and ISO/IEC 14496-10 AVC Standard,Advanced Video Coding for Generic Audiovisual Services[S].

[3] Heinrich-Hertz-Institute. JVT Reference Software Version JM15.1 [CP/OL].(2009-7-07) [2010-06-20]. http://iphome.hhi.de/suehring/tml/download/old-jm/jm15.1.zip.

[4] Li Z G, Pan F, Lim K P，et al. Adaptive Basic Unit Layer Rate Control for JVT [DB/OL].[2010-06-20]. http://wftp3.itu.int/av-arch/jvt-site/2003-03-Pattaya/JVT-G012r1.zip.

[5] Leontaris A, Tourapis A L. Rate Control Reorganization in the Joint Model (JM) Reference Software [DB/OL]. [2010-06-20]. http://wftp3.itu.int/av-arch/jvt-site/2007-04-SanJose/JVT-W042.zip.

[6] Chiang T,Zhang Y Q. A New Rate Control Scheme Using Quadratic Rate Distortion Model [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,1997,1(7):264-250.

[7] Lee H, Chiang T, Zhang Y. Scalable rate control for MPEG-4 Video [J].IEEE Transactions on Circuirts Systems on Video Technology,2000,10(6):878-894.

[8] Wang N,He Y. A New Bit Rate Control Strategy for H.264 [J]. ICICS-PCM,2003, 15(18): 1370-1374.

[9] 萬(wàn)帥,常義林,楊付正,等.一種新的視頻編碼二次率失真模型及其性能分析[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2007,29(5):1136-1139.

WAN Shuai, CHANG Yi-lin,YANG Fu-zheng,et al. A New Quadratic Rate Distortion Model for Video Coding and Its Performance Analysis [J]. Journal of Electronics & Information Technology,2007,29(5):1136-1139.(in Chinese)

[10] Choi J. Distortion Policy of Buffer-constrained Rate Control for Real-time VBR Coders [J]. IEEE Transactions on Image Processing, 1999, 8(4): 537-547.

[11] Wang H, Sam K. Rate-Distortion Optimization of Rate Control for H.264 With Adaptive Initial Quantization Parameter Determination [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2008,18(1):140-144.