一種面向低目標(biāo)比特率的H.264碼率控制算法

馬力群，沈海虹，張其善，張益強(qiáng)

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083;4.空軍駐洛陽(yáng)軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471000)

H.264是由ITU和ISO聯(lián)合開(kāi)發(fā)并公布的最新的國(guó)際視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，與以往編碼標(biāo)準(zhǔn)明顯不同的是H.264采用了基于Lagrange優(yōu)化算法的編碼控制模型，其編碼性能相比以往的所有編碼標(biāo)準(zhǔn)有了重大提高［1］.H.264碼率控制算法比經(jīng)典碼率控制算法要復(fù)雜，除了考慮緩沖區(qū)的充盈度和圖像復(fù)雜度外，還要考慮率－失真模型，并且運(yùn)動(dòng)估計(jì)中的運(yùn)動(dòng)矢量選擇及分塊模式的選擇都要執(zhí)行率－失真優(yōu)化(rate distortion optimization，RDO).目前的碼率控制主要是對(duì)幀層、宏塊層的比特?cái)?shù)分配進(jìn)行細(xì)致的處理［2-5］，而且H.264已經(jīng)接納的幾個(gè)碼率控制技術(shù)提案如JVT-G012、JVT-H014、JVT-I049、JVT-O016以及相關(guān)研究等都采用了平均絕對(duì)誤差(mean absolute difference，MAD)線性預(yù)測(cè)模型與二次R-Q模型［6-9］.其中，JVT-G012是一種經(jīng)典的H.264碼率控制算法提案.本文通過(guò)推導(dǎo)分析得知，在JVT-G012提案中，對(duì)Baseline profile下的GOP(group of picture)中剩余未編碼P幀分配目標(biāo)比特采用了平均分配比特的方式，而實(shí)際上P編碼的主要內(nèi)容是當(dāng)前幀與其預(yù)測(cè)幀之間的差值并經(jīng)過(guò)變換量化和熵編碼后的比特?cái)?shù).由于不同P幀壓縮出來(lái)的比特率是不同的，因而其預(yù)分配的比特也應(yīng)該是不同的.對(duì)于低目標(biāo)碼率下的碼率控制而言，這極易導(dǎo)致后續(xù)編碼幀的比特分配不能快速響應(yīng)幀間變化，進(jìn)而導(dǎo)致碼率控制與目標(biāo)比特偏差大，圖像質(zhì)量降低.針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于碼率緩沖回饋的碼率控制算法.該算法能快速對(duì)低目標(biāo)比特率下的碼率調(diào)整做出響應(yīng)，減少了原碼率控制算法因調(diào)整當(dāng)前幀碼率而對(duì)后續(xù)編碼幀比特分配的影響.

1 H.264/JVT-G012提案分析

H.264當(dāng)前幀的目標(biāo)比特f(ni，j)由基于緩沖占有量計(jì)算的比特~f(ni，j)和基于剩余未編碼幀計(jì)算的比特加權(quán)計(jì)算，即

其中:

編完GOP中第1個(gè)P幀后，復(fù)位目標(biāo)緩存級(jí)為T(mén)BL(ni，2)=Bc(ni，2)，而B(niǎo)c(ni，2)是編完GOP中第1個(gè)P幀后的實(shí)際緩存占有.隨后各P幀的目標(biāo)緩存級(jí)(target buffer level，TBL)由下式確定:

式中:Sp和Sb是編碼相應(yīng)幀產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，Qp和Qb是相應(yīng)的量化參數(shù).因此

1)基于剩余未編碼幀的目標(biāo)比特率計(jì)算

2)基于緩沖占有量計(jì)算的比特

對(duì)于Baseline下IP，…，P結(jié)構(gòu)的序列，式(6)轉(zhuǎn)換為

P幀分配的目標(biāo)比特為

可以看出，未編碼P幀分配的目標(biāo)比特是采用均勻分配剩余目標(biāo)比特.在低目標(biāo)比特率下，如果相鄰幀之間差異大，后續(xù)幀目標(biāo)比特率分配也應(yīng)該有差異，否則，依據(jù)下面的二次R-Q模型:

式中:MAD為平均絕對(duì)誤差，Rreal=R－Rheader，為編碼碼流中除去編碼后信息之外的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度.執(zhí)行碼率控制操作即根據(jù)分配的比特?cái)?shù)計(jì)算編碼操作的量化值Q.因此，均分比特意味著編碼過(guò)程中相同的量化值，而不同內(nèi)容、不同運(yùn)動(dòng)復(fù)雜度的幀、編碼基本單元或MB采用相同的Q量化操作必然導(dǎo)致壓縮后實(shí)際比特與目標(biāo)比特偏差較多，而這在面向低目標(biāo)碼率下的RC表現(xiàn)更顯著，本文試驗(yàn)部分的分析數(shù)據(jù)也直接證明了這一點(diǎn).

2 面向低目標(biāo)比特率的碼率控制算法

基于JVT-G012提案算法的分析，在進(jìn)行目標(biāo)比特分配時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際編碼幀的差別以減小實(shí)際編碼比特率與目標(biāo)比特率的偏差.文獻(xiàn)［10］提出了一種基于單幀圖像質(zhì)量加權(quán)的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，其中加權(quán)因子描述了視頻序列內(nèi)運(yùn)動(dòng)及場(chǎng)景變化的劇烈程度.平均絕對(duì)誤差MAD描述了視頻內(nèi)前后幀在時(shí)間上的距離，記作me.定義參數(shù)k對(duì)視頻運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行描述，有

令Vei=mei－mei－1，利用上述定義的參數(shù)對(duì)未編碼P幀的目標(biāo)比特分配進(jìn)行調(diào)節(jié):

Tth為試驗(yàn)門(mén)限數(shù)據(jù)，用以表征運(yùn)動(dòng)活躍性是否已經(jīng)顯著.在JVT-G012中，編碼當(dāng)前幀后，當(dāng)前緩沖占有根據(jù)下式計(jì)算:

式中:nbits0是理想情況下編碼一幀所用的比特，即

而在低目標(biāo)比特率下，為了更有效和快速的抑制比特率波動(dòng)，在進(jìn)行比特率回饋時(shí)給出了一種強(qiáng)化的回饋方式，即根據(jù)實(shí)際編碼幀所占比特和理想編碼幀所占比特的差異進(jìn)行緩沖回饋比特的調(diào)整，通過(guò)回饋比特能夠快速反映出當(dāng)前已經(jīng)發(fā)生了顯著的幀間變化，后續(xù)幀目標(biāo)比特分配也自動(dòng)據(jù)此做出相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而保證最終編碼碼率與目標(biāo)比特率相近.具體如下:

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

利用常見(jiàn)的視頻序列采用JVT-G012提案方法，采用H.264參考代碼JM8.6中的碼率控制方法，將本文的方法與JVT-G012算法在低目標(biāo)碼率下的碼率控制結(jié)果進(jìn)行了比較，如表1～4.實(shí)驗(yàn)采用多視頻序列、多目標(biāo)碼率進(jìn)行測(cè)試，所有序列按IPP，..PP編碼，I幀間隔為30幀.基于低目標(biāo)比特率及甚低目標(biāo)比特率要求，實(shí)驗(yàn)采用QCIF序列在24 kb/s(甚低比特率)，32 kb/s，64 kb/s和96 kb/s下進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果證明了本文所提出的算法能夠有效減少實(shí)際編碼比特率與目標(biāo)比特率的偏差并取得了不錯(cuò)的PSNR，也進(jìn)一步說(shuō)明該算法在面向低目標(biāo)比特率及甚低目標(biāo)比特率編碼時(shí)能在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)有效抑制碼率波動(dòng)的偏差.為了全面綜合比較本文算法與JVT-G012提案，對(duì)較高比特率下的碼率控制結(jié)果也進(jìn)行了比較.

表1 24 kb/s QCIF測(cè)試序列碼率控制輸出結(jié)果Table 1 The results of bit rate control with 24 kb/s QCIF sequences

表2 32 kb/s QCIF測(cè)試序列碼率控制輸出結(jié)果Table 2 The results of bit rate control with 32 kb/s QCIF sequences

表3 64 kb/s QCIF測(cè)試序列碼率控制輸出結(jié)果Table 3 The results of bit rate control with 64 kb/s QCIF sequences

表4 96 kb/s QCIF測(cè)試序列碼率控制輸出結(jié)果Table 4 The results of bit rate control with 96 kb/s QCIF sequences

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文算法在低目標(biāo)比特率下Y分量的PSNR明顯高于原RC算法(雖然本文在色差分量即UV上PSNR降低，但就影響人眼視覺(jué)因素而言，Y分量比UV更重要，而且節(jié)約比特約10%).在較高目標(biāo)比特率時(shí)，本文算法與JVTG012算法相比取得了相近的結(jié)果，但在低目標(biāo)比特率下，在PSNR比較接近的情況下，本文算法的比特率略有降低，降低約2%.因此，相比JVT-G012算法而言，本文提供的算法能有效的支持低目標(biāo)比特率下碼率控制，取得理想的碼率控制結(jié)果和圖像質(zhì)量.另外，本文碼率控制部分涉及的MAD信息不需要額外計(jì)算，只需要在編碼過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)保留SAD信息即可，MAD可由SAD計(jì)算，因此，本文提出的碼率控制算法幾乎沒(méi)有增加算法復(fù)雜度.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種面向低目標(biāo)碼率的碼率控制算法，一方面將視頻序列運(yùn)動(dòng)及場(chǎng)景變化劇烈程度描述因子引入碼率控制過(guò)程中的幀比特分配，另一方面采用了強(qiáng)化緩沖回饋方式，有效地對(duì)低目標(biāo)比特率下的碼率調(diào)整做出響應(yīng)，減少了原碼率控制算法因調(diào)整當(dāng)前幀碼率而對(duì)后續(xù)編碼幀比特分配的影響.該算法可廣泛適用于低目標(biāo)碼率下的視頻碼率控制，并作為JVT-G012碼率控制算法在低碼率下的替代算法.本文提出的算法主要是針對(duì)低目標(biāo)碼率及甚低目標(biāo)碼率要求，比特分配調(diào)整主要在幀層，而宏塊層的比特調(diào)整將會(huì)進(jìn)一步提高碼率控制的精度，這也將是后續(xù)研究的內(nèi)容.另外，在其他格式視頻及目標(biāo)碼率下算法的測(cè)試和驗(yàn)證也是進(jìn)一步研究的內(nèi)容.

致謝

感謝北京航空航天大學(xué)佟雨兵博士與本文作者就有關(guān)問(wèn)題的有益探討.

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