基于H.264 碼率控制算法的優(yōu)化

周易龍

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

碼率控制就是調整視頻編碼輸出碼率，使之與傳輸帶寬相匹配，同時獲取最小的解碼失真，以保證良好并且穩(wěn)定的接收解碼質量。因此，在給定的比特流的條件下，編解碼器采用碼率控制可以獲得高質量和高平滑的視頻。量化是視頻數(shù)據(jù)壓縮的重要過程，QP（量化參數(shù)）是影響碼率的關鍵因素。

量化參數(shù)反映了空間細節(jié)壓縮情況，QP 減小，大部分細節(jié)會被保留，同時碼流比較大，QP 增大，大部分細節(jié)會丟失，此時碼流較小。為了保證緩沖區(qū)的碼流既不上溢也不下溢，可以通過二次率失真模型進行預測QP 的值，調節(jié)QP 的大小來調整碼率。二次率失真模型中采用MAD 計算QP 時，在圖像內(nèi)容變換較大時，會導致估算的目標比特數(shù)與實際輸出之間誤差很大，并且相鄰兩幀圖像之間的劇烈波動將嚴重影響圖像的主觀質量。為了有效地解決這個問題，本文提出了在像素差值計算基礎上加入hadamard 變換即SATD，用SATD 來代替MAD 計算QP，可以很好地解決了這一問題。

1 標準的碼率控制算法

碼率控制主要包括3 步，首先，目標比特數(shù)的分配，然后，根據(jù)目標比特數(shù)進行編碼參數(shù)的選擇，最后，參數(shù)更新過程。標準中的碼率控制方案共分3 層：GOP（groupof pictures）層碼率控制，幀層碼率控制，基本單元層碼率控制。

QP 在現(xiàn)在的標準（JVT-K049）中通過二次率失真模型進行計算Qstep，再通過QP 與Qstep 的關系來計算QP[1]。

其中Tsrc為目標比特數(shù)，α1，α2為預測模型系數(shù)，初值分別為1 和0，通過線性回歸統(tǒng)計計算得到。Headbit為頭比特數(shù)表示編碼信息。

采用線性模型來預測MAD，即當前基本單元的MAD 計算是通過前一幀在此位置上的MAD 中計算得出，公式（2）[1]

其中MADcb表示當前位置上的MAD，MADpb表示前一幀在相同位置上的MAD，a1、a2為預測模型的參數(shù)，初值分別為1、0。

2 改進的碼率控制算法

二次率失真模型中采用MAD 來計算量化步長Qstep，再通過QP 與Qstep 的關系來計算QP，此種情況計算所得到的QP 在圖像內(nèi)容變換較大時，會導致估算的目標比特數(shù)與實際輸出之間誤差很大，并且相鄰兩幀圖像之間的劇烈波動將嚴重影響圖像的主觀質量。本文在計算像素差值的基礎加上hadamard 變換即SATD，采用SATD 替代MAD 以此計算QP，

改進的Qstep 計算[2-4]：

其 中 SATD為 sum of absolute hadamard transformed differences。

SATD 的預測：

其中SATDc表示當前幀的SATD，SATDp表示前一幀的SATD，λ1，λ2初值分別為1 和0，采用線性回歸的方法進行更新。

用式（4）計算量化步長Qstep：

其中s 代表SATD，

本文采用新的方法[5-6]計算SATD，此種方法已被驗證可以快速計算SATD，有利于實時通信的應用。其中4X4 階SATD

其中H4×4代表4×4 階hadamard 變換系數(shù)矩陣，D4×4代 表4×4 階像素差值矩陣，上述公式表示像素差值矩陣先進行hadamard 變換再求其絕對值，最后求其和。

H4×4系數(shù)矩陣為：

SATD 具體每列的計算如下：

SATD（D4×4）=2·[max（|d1+d3|，|d2+d4|）+max（|d-d3|，|d2-d4|）]

其中d1，d2，d3，d4代表列向量的4個元素。

根據(jù)下式可以將4×4 階推導出8×8 階和16×16 階，

3 實驗測試結果

本試驗結果在VS2010 開發(fā)環(huán)境中，JM18.0 平臺上去實現(xiàn)本文提出的碼率控制策略，并與JM18.0 采用的標準碼率控制方案作比較。實驗使用標準的qcif 測試序列：bridge，highway，hall，suzie，akiyo 幀率為30 幀/ s，共編碼100 幀，目標碼率為32 kb/s。給定第1 幀的QP為30，RCUpdateMode[7]值為2 即I 和B 片（包括分層）原件加上智能QP 選擇。

圖1 視頻序列bridge（左）和highway（右）幀率與比特數(shù)的關系Fig.1 Frame rate relationship with the number of bits of the video sequence Bridge（left）and highway（right）

從圖1 中可以看到bridge 和highway 比特流隨幀數(shù)變化狀況，新算法比原算法在視頻序列復雜度激烈變化的地方有更好的表現(xiàn)。

從圖2 中可以看到bridge 和highway 峰值信噪比隨幀數(shù)變化狀況，新算法比原算法在視頻序列信噪比波動較小，有更好的表現(xiàn)。

圖2 視頻序列bridge（左）和highway（右）幀率與信噪比的關系Fig.2 relationship between the frame rate and signal-to-noise ratio of the video sequence Bridge（left）and highway（right）

表1 視頻序列比特率和峰值信噪比測試結果Tab.1 The bit rate of the video sequence and peak signal-tonoise of the test results

表2 視頻序列信道信噪比和MSE 測試結果Tab.2 Video sequence of channel signal-to-noise ratio and MSE test results

從圖中和表中可以看出，新的碼率控制算法可以更為準確地控制碼率，可見本文提出的用SATD 代替MAD 在二次率失真模型中計算Qstep，最終計算出QP 有更好的表現(xiàn)，獲得更好的峰值信噪比值、比特流、信道信噪比和MSE，

4 結束語

文中基于最新視頻編碼標準H.264 中采用的碼率控制方案，提出一種改進的碼率控制算法，用SATD 代替MAD 在二次率失真模型中計算Qstep，最終計算出QP。實驗結果表明，本文的算法在較好地控制碼率的同時視頻序列的峰值信噪比、比特流、信道信噪比和MSE 有很好的提高，達到了更好地控制碼流的效果，便于接收端獲得良好穩(wěn)定的視頻流。

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