基于線性模型的分級B幀比特分配改進算法

彭 婷，楊楷芳，公衍超

(西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安710129)

1 分級B幀結(jié)構(gòu)

在當前社會，人們對各種視頻應(yīng)用的需求越來越高，諸如3D視頻、高清視頻的視頻流信息越來越大。同時由于網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境異構(gòu)、時變且?guī)捰邢蓿o視頻信息的傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。碼率控制技術(shù)是保證視頻信息有效傳輸?shù)囊豁楆P(guān)鍵技術(shù)，其目的是在滿足帶寬限制的前提下盡量提高解碼端視頻的質(zhì)量。

由于高效的編碼性能，目前分級B幀結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的應(yīng)用。分級B幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖像組(Group of Picture，GOP)大小為8，共有4個時間層。

圖1 分級B幀編碼結(jié)構(gòu)

黑色表示時間0級，為關(guān)鍵幀，幀類型I幀或P幀。其他時間層幀都為B幀，箭頭表示預(yù)測方向。因為低時間層幀要直接或間接被高時間層幀作為參考，所以分級B幀結(jié)構(gòu)中不同時間層(Temporal Layer，TL)的幀具有不同的重要性，TL越小的幀其重要性越大。

目前有很多典型的碼率控制算法，例如面向MPEG-2的TM5［1］、面 向MPEG-4的VM8［2］和 面 向H.263的TMN8［3］，其原理都是通過預(yù)測不同層次的目標比特數(shù)和調(diào)用某種率失真模型來計算量化參數(shù)(Quantization Parameter，QP)，實現(xiàn)碼率控制。到了21世紀，H.264［4］的碼率控制成為了國內(nèi)外學者的研究熱點。H.264的碼率控制采用JVT-H017［5］提案所提算法，采用二階R-QP模型來計算碼率控制基本單元(Basic Unit，BU)的QP，用此QP編碼當前BU實現(xiàn)碼率控制。

但上述碼率控制算法只針對P幀用復雜的模型分配目標比特，對于B幀只根據(jù)一些簡單信息判斷其QP在前一編碼P幀QP基礎(chǔ)上增減幅度的方式進行粗糙的碼率控制。對于有B幀結(jié)構(gòu)這些算法的碼率控制性能很差。

針對分級B幀結(jié)構(gòu)，提案JVT-W042［6］提出了相應(yīng)的碼率控制算法。對于P幀按式(1)分配目標比特

式中:Ti(j)表示P幀的目標比特數(shù);β為0．5;和)分別為

式中:Ri(j)表示比特率;f是幀率;γ的值通常取為0.5或0.25;Si(j)表示當前緩沖區(qū)狀態(tài);Vi(j)表示目標緩沖區(qū)狀態(tài);i表示一個GOP中的幀數(shù);j表示GOP數(shù);NI，r，NP，r和表示時間l層待編碼的I，P和B幀數(shù)。對不同類型幀進行目標比特分配，即

式中:ρB表示B幀分配的目標比特數(shù)比例，取固定值0.45;ρI表示I幀分配的目標比特數(shù)比例。

W042算法在對B幀分配目標比特數(shù)時，ρB取固定值，即對不同時間級B幀，在關(guān)鍵幀P幀的目標比特數(shù)基礎(chǔ)上的分配比例相同，沒有考慮時間級的影響。事實上在分級B幀結(jié)構(gòu)中，時間層越低的幀被高時間層幀直接或間接作參考的次數(shù)越多，所以其對視頻編碼質(zhì)量影響更大，應(yīng)當分配更多的比特。分級B幀的預(yù)測結(jié)構(gòu)使得一個GOP中的B幀與P幀的比特數(shù)之間存在很大的相關(guān)性，如果能利用這種相關(guān)性，建立準確反映B幀與P幀比特關(guān)系的模型，將大大提高碼率控制性能。

文獻［7-8］基于以上考慮提出相關(guān)算法，分別通過定義可分級因子與權(quán)重因子來決定不同時間級分配的比特數(shù)。但文獻［7］參數(shù)過多且計算與更新過程很復雜，不適于實際應(yīng)用;文獻［8］算法相對于W042算法編碼性能沒有明顯的改善;文獻［9］提出不同B幀之間復雜度關(guān)系，但是沒有對不同時間級B幀的比特數(shù)關(guān)系進行深入研究;文獻［10］研究了不同時間級QP分配策略，但是沒有應(yīng)用碼率控制。

2 改進算法

2.1 實驗安排及分析

選擇不同內(nèi)容特性的序列“News”，“Paris”和“Mobile”作為實驗序列。編碼序列格式CIF，幀率30 f/s(幀/s)，GOP大小為16，編碼幀數(shù)120幀，采用提案JVT-P014［9］中提出的分級B幀結(jié)構(gòu)量化參數(shù)分配方法配置各時間級B幀的QP，關(guān)鍵幀的QP值為21～36，步長為1。編碼器采用H.264標準測試模型JM17.2［11］。在不同QP配置下分別編碼實驗序列，統(tǒng)計編碼后各時間級B幀所用的平均比特數(shù)和關(guān)鍵幀的比特數(shù)。圖2所示為News序列實驗結(jié)果。

圖2 News不同時間級B幀與關(guān)鍵幀之間比特數(shù)關(guān)系

由圖2可知，不同時間級B幀的平均比特數(shù)與關(guān)鍵幀比特數(shù)呈良好的線性關(guān)系，線性擬合為

式中，Ti表示關(guān)鍵幀比特數(shù)。從式(5)可知，隨著時間級的增大，斜率逐漸降低。這是因為編碼設(shè)置中采用了JVT-P014提案的QP配置方法，隨著時間級數(shù)的增大，分配的QP也增大，因此，高時間級的平均比特數(shù)較低時間級的平均比特數(shù)低。

不同時間級B幀的平均比特數(shù)與關(guān)鍵幀比特數(shù)最終可表示為

式中:k表示斜率;b為常數(shù)。

式(6)所示的線性模型充分考慮了不同時間層B幀的特性，若將此模型應(yīng)用到分級B幀結(jié)構(gòu)碼率控制中，可以大大提高碼率控制性能。

2.2 算法

提出的算法如圖3所示，具體步驟如下。

圖3 改進算法驗證流程圖

1)GOP層

計算當前GOP剩余總比特數(shù)和起始QP

式中:u(nj，1)是可用帶寬;NGOP是GOP中所有幀的總數(shù);Bc(nj，i)表示編碼第i幀的實際緩沖區(qū)占用率。每編碼完一幀，Tr更新一次。

初始QP按照式(8)計算

式中:QP0表示初始QP;bpp是每個像素的比特數(shù);l1表示時間一級。

2)幀層

采用式(1)來計算P幀目標比特數(shù);根據(jù)當前B幀的序號判斷時間級數(shù)，根據(jù)線性模型(6)對不同時間級B幀分配目標比特數(shù)。

P、B幀最終分配的QP由二次R-Q模型來計算

式中:R表示分配給當前幀的目標比特數(shù);c1，c2為模型參數(shù);MADcb表示當前幀的預(yù)測MAD。

式中，MADpb表示前一幀實際MAD。

3)BU層

BU層碼率控制步驟與幀層步驟一致。

3 算法性能驗證

實驗設(shè)置與2.1節(jié)實驗基本一致。只是要開啟碼率控制，設(shè)定帶寬分別為256 kbit/s，512 kbit/s，768 kbit/s，1 024 kbit/s，QP的設(shè)定由本文算法給定。模型參數(shù)使用預(yù)編碼并通過最小二乘法計算得到。表1～表3為實驗結(jié)果，其中JVT-W042采用默認的權(quán)重分配參數(shù)。

表1 News JVT-W042提案與改進算法性能對比

表2 Paris JVT-W042提案與改進算法性能對比

從表中數(shù)據(jù)可得，本文提出的基于分級B幀優(yōu)先級的碼率控制算法與JVT-W042相比，對于大部分內(nèi)容特性序列，平均ΔPSNR提高了0.15 dB以上，具有優(yōu)越的編碼性能。

表3 Mobile JVT-W042提案與改進算法性能對比

4 總結(jié)

本文針對現(xiàn)有分級B幀碼率控制算法比特分配算法中存在的問題，提出了一種改進的分級B幀優(yōu)先級的碼率控制算法，討論了不同時間級的B幀分配的目標比特數(shù)與關(guān)鍵幀的比特數(shù)之間存在線性關(guān)系，建立不同時間級B幀比特數(shù)與關(guān)鍵幀比特數(shù)之間的線性模型，將線性模型應(yīng)用到分級B幀的比特分配中，提高了基于分級B幀的碼率控制算法的性能，本文算法與JVT-W042算法相比，在有效控制碼率的同時，ΔPSNR平均提高0.15 dB。

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