基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法研究

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000)

0 引言

在視頻應(yīng)用時(shí)，碼率控制占據(jù)重要地位，保障碼率得以約束的前提下，碼率控制以提升編碼圖像的質(zhì)量水平為目的。為得到更優(yōu)質(zhì)的視覺(jué)感受，擁有相同的圖像質(zhì)量為視頻編碼期望特性之一[1]。一般情況下，碼率控制算法的優(yōu)化力求幀圖像失真度最小，這堪稱整體意義上對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，也許會(huì)造成各幀圖像內(nèi)每個(gè)宏塊的信噪比不集中分布的問(wèn)題，圖像每個(gè)部分質(zhì)量波動(dòng)很大，導(dǎo)致了主觀視覺(jué)質(zhì)量水平降低[2]。在目前的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)中，由于對(duì)視頻序列中類型不一樣的幀采用不一樣的編碼方式，與此同時(shí)，每個(gè)幀圖像的活動(dòng)性也不一樣，導(dǎo)致每個(gè)幀編碼后生成的比特?cái)?shù)有某些差異[3]。

編碼速率控制是為了使編碼器輸出的碼流達(dá)到穩(wěn)定，盡可能消除編碼端緩沖器溢出問(wèn)題，進(jìn)一步提高重建圖像質(zhì)量。過(guò)去利用小波視頻碼率控制方式，該方式可以針對(duì)信號(hào)執(zhí)行多分辨分析與時(shí)頻局部化操作，恢復(fù)圖像滿足人眼的主觀需求，借助三維最小度分解原始圖像序列，之后借助修改后的等級(jí)樹(shù)集合分區(qū)的算法量化效度系數(shù)[4]。即便此方法有很好的控制效果，但因?yàn)榻粨Q緩沖器的容量不是無(wú)限的，視頻碼流的突發(fā)性有形成擁塞的危險(xiǎn)，繼而造成丟失緩沖器溢出與信元的后果，傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量會(huì)降低。因此，以CPLD芯片為基礎(chǔ)的視頻圖像碼率控制方法研究被提出。

1 基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制

此控制方案利用以CPLD芯片的碼率為基礎(chǔ)的控制方式，借助它的低復(fù)雜度、高控制精度達(dá)到提高運(yùn)算速度與控制精度的目的，使當(dāng)前碼率控制算法的性能占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)[5]。該控制方案的碼率控制方法主要由CPLD芯片視頻圖像灰度增強(qiáng)、視頻質(zhì)量控制、主動(dòng)跳幀控制和編碼碼率控制4個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制框圖

1.1 基于CPLD芯片視頻圖像灰度增強(qiáng)

借助視頻解碼芯片，解碼當(dāng)前的模擬視頻信號(hào)，并將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻信號(hào)，再采用可編程邏輯器件CPLD，完成灰度線性變換指令，使視頻圖像的灰度進(jìn)行增強(qiáng)[6]。

1.1.1 視頻解碼

視頻解碼芯片采用9位視頻輸入處理器，其型號(hào)為sAA7113，該視頻輸入處理器來(lái)自于Philips公司。在系統(tǒng)中這個(gè)芯片的主要功能是使復(fù)合視頻信號(hào)CVBS完成A/D轉(zhuǎn)換指令，并輸出一個(gè)數(shù)字視頻信號(hào)在YUV 4∶2∶2格式中符合ITU656標(biāo)準(zhǔn)，即取樣頻率的兩倍(13.5 MHz)行參考信號(hào)HREF、場(chǎng)參考信號(hào)VREF和半像素時(shí)鐘信號(hào)LLC[7]。由于信號(hào)鉗位、對(duì)比度控制、飽和度控制、抗混疊濾波、自動(dòng)增益控制與亮度控制等能夠在視頻解碼芯片內(nèi)部完成，因此，只有在系統(tǒng)上電復(fù)位后，依據(jù)I2C總線，才能正確地執(zhí)行視頻解碼芯片內(nèi)部相關(guān)控制寄存器完成初始化設(shè)置，即可獲得高質(zhì)量的數(shù)字視頻信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，用于同步所有系統(tǒng)[8]。

1.1.2 視頻信號(hào)格式統(tǒng)一

圖2是一行像素?cái)?shù)據(jù)的格式。

圖2 視頻信號(hào)格式統(tǒng)一

因?yàn)閿?shù)字視頻信號(hào)在YUV4∶2∶2格式中，色差信號(hào)取樣率是亮度信號(hào)取樣率的一半，所以每?jī)蓚€(gè)像素時(shí)鐘周期輸出兩個(gè)色差信號(hào)Cb，Cr和一個(gè)灰度信號(hào)Y。在CClR556倡議中，將視頻數(shù)據(jù)中的量化值設(shè)定為255和0，并記為保留值。量化數(shù)據(jù)的串行輸出按此循環(huán)，其順序?yàn)椋篩o、Uo、Y1、vo、Y2、U1、Y3、V1、Y5、U2、Y6、V2[9]。

1.1.3 視頻圖像灰度增強(qiáng)處理

通過(guò)灰度線性變換指令，使視頻圖像的灰度進(jìn)行增強(qiáng)，并利用Verilog HDL敘述CPLD執(zhí)行算法。再運(yùn)用SAA7113模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，輸入8位數(shù)字視頻信號(hào)VPI。在8位灰度映射表中，選擇撥碼開(kāi)關(guān)、半像素時(shí)鐘信號(hào)LLCI與行場(chǎng)同步Vref、Href；并將輸入的半像素時(shí)鐘LLCO與8位數(shù)字視頻信號(hào)VPO發(fā)送到sAA7121H處理器。當(dāng)每個(gè)半像素時(shí)鐘信號(hào)處于上升沿時(shí)，判斷像素是否處于行程狀態(tài)或進(jìn)程狀態(tài)。如果是，則設(shè)定初始為首個(gè)進(jìn)行上下行參考的信號(hào)，將偶數(shù)位的取樣點(diǎn)進(jìn)行灰度變換，根據(jù)波碼開(kāi)關(guān)的輸入值選擇相應(yīng)的變換函數(shù)。在進(jìn)行灰色映射時(shí)，使用case分支語(yǔ)句將需要處理的灰色映射表和灰度級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。將奇數(shù)取樣點(diǎn)均設(shè)定為0X80(對(duì)應(yīng)的色差信號(hào)為0)，去除顏色信息的同時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換。

1.2 編碼碼率控制

在視頻編碼中，為了達(dá)到碼率約束要求目的，需利用固定的比特率輸出，圖像的量化參數(shù)會(huì)持續(xù)變化，圖像質(zhì)量亦會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)；為保證質(zhì)量的均勻，一般情況下利用確定的量化參數(shù)圖對(duì)圖像執(zhí)行量化處理，但是如此輸出的編碼比特率非恒定不變，在有帶寬限制的應(yīng)用中無(wú)法適用。如圖3所示。

圖3 固定編碼比特率與固定圖像質(zhì)量之間關(guān)系

在率失真理論的碼率控制中，優(yōu)化策略以碼率約束滿足為前提，讓全部編碼圖像的失真度為最小值。因?yàn)閳D像內(nèi)容存在差異，在碼率固定的前提條件下，每個(gè)宏塊的量化參數(shù)必然會(huì)有波動(dòng)，造成圖像的不同部分質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)主觀視覺(jué)質(zhì)量造成影響?？紤]到以上兩種編碼方法(獲取固定碼率的編碼方法與獲取一致的編碼質(zhì)量的編碼方法的特性)，所以，一種碼率控制方法被提出了：碼率約束達(dá)到要求后，最小化每個(gè)宏塊量化參數(shù)的方差。借助此種優(yōu)化方式，能夠讓宏塊量化參數(shù)分布更為集中，近似于量化參數(shù)固定編碼方式，進(jìn)而取得均勻相同的圖像質(zhì)量；與此同時(shí)，因?yàn)閹捈s束得到滿足，固定碼率的編碼方式亦可以應(yīng)用于帶寬受限的應(yīng)用環(huán)境中。確保正確解碼，每個(gè)宏塊的量化參數(shù)會(huì)被執(zhí)行編碼操作并且向解碼端傳輸。

被提出的碼率控制以CPLD芯片為基礎(chǔ)，采用的碼率控制方法先計(jì)算目前緩沖區(qū)比特?cái)?shù)，

(1)

依據(jù)上述內(nèi)容，編碼幀目標(biāo)比特?cái)?shù)為：

(2)

式(2)中,λ表示緩沖延遲系數(shù)。

提出的基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法需依據(jù)當(dāng)前渲染到紋理值，統(tǒng)計(jì)報(bào)文丟失率，結(jié)合CPLD芯片視頻圖像灰度增強(qiáng)處理內(nèi)容，估計(jì)報(bào)文傳輸所需的比特?cái)?shù)，具體控制步驟如下所示：

Step1：跳幀控制

統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)大小，重新計(jì)入EC編碼，以此作為數(shù)據(jù)開(kāi)銷；

Step2：信道狀態(tài)估計(jì)

統(tǒng)計(jì)前兩幀圖像傳輸反饋的數(shù)量，計(jì)入糾錯(cuò)報(bào)文之中，由此計(jì)算報(bào)文出錯(cuò)率；

Step3：估計(jì)需要糾錯(cuò)時(shí)間

設(shè)置緩沖區(qū)圖像幀數(shù)和報(bào)文長(zhǎng)度，依據(jù)所需發(fā)送的報(bào)文總數(shù)糾錯(cuò)報(bào)文出錯(cuò)率，通過(guò)搜索方法計(jì)算所需糾錯(cuò)報(bào)文數(shù)目；

Step4：確定采用的編碼幀分配所需的比特?cái)?shù)，將Step3中得到的渲染到紋理值帶入其中，并根據(jù)選擇的模式估計(jì)糾錯(cuò)報(bào)文所需比特?cái)?shù)。

依據(jù)上述內(nèi)容，完成編碼碼率控制。

1.3 視頻質(zhì)量控制

在視頻碼率控制中，評(píng)價(jià)控制算法優(yōu)劣的主要依據(jù)為視頻碼率，但應(yīng)用視頻碼率的同時(shí)，還需要對(duì)視頻質(zhì)量進(jìn)行控制，所以需要引入一個(gè)質(zhì)量控制模塊。

1.3.1 視頻采集

視頻采集依靠采集程序與計(jì)算機(jī)內(nèi)置的采集卡完成。檔次高的采集卡對(duì)應(yīng)生成高質(zhì)量視頻。某些視頻采集卡可以執(zhí)行硬壓縮，采集速度很快。盡量應(yīng)用高質(zhì)量的采集卡進(jìn)行視頻的捕捉，保證圖像效果較好。針對(duì)某些可以執(zhí)行壓縮的采集卡，采集成AVI格式視頻具有較好效果。進(jìn)行采集時(shí)，可利用隨卡帶的采集程序，亦可運(yùn)用Premiere的采集程序。借助Premiere的cuptu:命令采集時(shí)，需要在模擬信號(hào)與DV信號(hào)中區(qū)分出視頻信號(hào)源，在cupture format采集格式中選取composite(模擬復(fù)合)或者是DV(數(shù)字視頻)。條件允許的情況下，首選DV格式采集。

1.3.2 視頻編輯

視頻作品質(zhì)量的提高是視頻媒體編輯的重要過(guò)程，借助對(duì)采集壓縮后的視頻素材執(zhí)行編輯操作，讓視頻感染力、表現(xiàn)力增強(qiáng)。編輯過(guò)程為：將編輯程序打開(kāi)，新建視頻編輯項(xiàng)目，把數(shù)字化的視頻素材傳輸進(jìn)此項(xiàng)目窗口，對(duì)素材進(jìn)行選擇，設(shè)置素材在編輯軌上的展開(kāi)方式，之后調(diào)用編輯軟件供給的各個(gè)軟件，比如剪輯、重新排序、銜接素材、添加特效、運(yùn)動(dòng)疊加、中英文字幕等。

視頻節(jié)目編輯成功之后，可以直接壓縮成為所需格式，圖像信息的損失有效降低，清晰度提高了。使用素材時(shí)，最好保持圖像的原始尺寸與寬高比。視頻片段加入濾鏡效果時(shí)，需要進(jìn)行選擇，原因是某些濾鏡效果會(huì)使原視頻劣質(zhì)化，清晰度顯著降低，可以決定少加甚至是不加。此外，不超過(guò)視頻的目標(biāo)任務(wù)的情況下，力求視頻壓縮的比特率得到提高，圖像細(xì)節(jié)的損失減少。

1.4 主動(dòng)跳幀控制

對(duì)于解碼器，如果在編碼端存在跳幀控制，則解碼端將重復(fù)前一幀圖像的內(nèi)容，使解碼后的重構(gòu)視頻序列滿足指定的幀速率?；蛘呖梢允褂弥熬幋a幀的重建幀，計(jì)算通過(guò)幀的峰值信噪比。如果第j幀被跳過(guò)(事實(shí)上，沒(méi)有跳過(guò)幀)，則使用前一重建幀的第j-1幀。如果峰值信噪很小，則說(shuō)明跳過(guò)當(dāng)前幀并沒(méi)有顯著降低PSNR，即可得到視頻質(zhì)量沒(méi)有顯著變化，能夠作為跳幀控制策略。與一般的跳幀相比，即可作為主動(dòng)跳幀控件。如果該幀滿足主動(dòng)跳幀的要求，則會(huì)生成兩種效果:首先是未對(duì)幀進(jìn)行編碼，保存一些碼字，降低模式判斷和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，并減少計(jì)算量；其次，緩沖區(qū)空間被空出，緩沖區(qū)充盈度的減小，將造成控制器無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)整后續(xù)幀的量化參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法的有效性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列(共100幀)進(jìn)行測(cè)試分析，并與小波視頻碼率控制方法相比較。測(cè)試序列為QCIF格式，幀頻率為20 f/s，以50 kb/s速率進(jìn)行編碼，緩沖器容量為3 500 bit。

在視頻圖像細(xì)節(jié)簡(jiǎn)單情況下，分析不同控制方法下緩沖器所占用量對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同控制方法下緩沖器所占用量對(duì)比分析

由圖4可知，采用小波視頻碼率控制方法在視頻圖像變化時(shí)，緩沖器占用量較大，而采用基于CPLD芯片視頻圖像碼率控制方法緩沖器占用量相對(duì)較小。

在視頻圖像細(xì)節(jié)豐富情況下，需將視覺(jué)圖像質(zhì)量一致性以幀內(nèi)失真度均方誤差作為度量準(zhǔn)則，該誤差計(jì)算公式為：

(3)

式中,M表示視頻圖像數(shù)量；S′表示重建圖像與原圖像之間的均方誤差；S越小，失真度就越集中，視頻圖像也就越清晰。

在miss-am序列、foreman序列、coastguard序列下，將兩種方法的失真度均方誤差進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種方法的失真度方差對(duì)比分析

由圖5可知：在miss-am序列下，采用小波視頻碼率控制方法在幀數(shù)為40～60幀時(shí)，均方誤差達(dá)到最高為180；而基于CPLD芯片控制方法在該幀數(shù)范圍內(nèi)，均方誤差達(dá)到最高為270。在foreman序列下，采用小波視頻碼率控制方法在幀數(shù)為60幀時(shí)，均方誤差達(dá)到最高為520；而基于CPLD芯片控制方法也在60幀時(shí)，均方誤差達(dá)到最高為510。在coastguard序列下，采用小波視頻碼率控制方法在幀數(shù)為100幀時(shí)，均方誤差達(dá)到最高為800；而基于CPLD芯片控制方法也在100幀時(shí)，均方誤差達(dá)到最高為790。由此可知，采用基于CPLD芯片控制方法失真度較小，獲取的視頻圖像更加清晰。

基于上述內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)實(shí)際峰值信噪比PSNR_Y、PSNR_U、PSNR_V和輸出碼率大小，如表1所示。

表1 實(shí)際峰值信噪比輸出碼率大小分析

依據(jù)表1所示實(shí)際值，分別采用小波視頻碼率控制方法(A)和基于CPLD芯片控制方法(B)對(duì)碼率控制精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方法碼率控制精準(zhǔn)度對(duì)比分析

PSNR_Y/dB峰值信噪比：采用小波視頻碼率控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差2.91，在foreman序列下與實(shí)際值相差5.09，在coastguard序列下與實(shí)際值相差1.12；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差0.15，在foreman序列下與實(shí)際值相差1.51，在coastguard序列下與實(shí)際值相差0.27。

PSNR_U/dB峰值信噪比：采用小波視頻碼率控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差2.94，在foreman序列下與實(shí)際值相差1.01，在coastguard序列下與實(shí)際值相差0.93；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差0.14，在foreman序列下與實(shí)際值相差0.06，在coastguard序列下與實(shí)際值相差0.33。

PSNR_V/dB峰值信噪比：采用小波視頻碼率控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差5.48，在foreman序列下與實(shí)際值相差4.2，在coastguard序列下與實(shí)際值相差2；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差0.15，在foreman序列下與實(shí)際值相差1.51，在coastguard序列下與實(shí)際值相差0.27。

輸出碼率：采用小波視頻碼率控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差5.9，在foreman序列下與實(shí)際值相差13.95，在coastguard序列下與實(shí)際值相差8.84；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實(shí)際值相差0.09，在foreman序列下與實(shí)際值相差0.11，在coastguard序列下與實(shí)際值相差0.07。

綜上所述：以CPLD芯片為基礎(chǔ)的視頻圖像碼率控制策略最小控制誤差為0.07，由此也證實(shí)基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中提出以CPLD芯片為基礎(chǔ)的視頻圖像碼率控制策略，帶寬約束滿足情況下，在一幀圖像范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)宏塊量化參數(shù)的方差進(jìn)行最小化處理，此準(zhǔn)則能夠均勻圖像質(zhì)量。與此同時(shí)，節(jié)省編碼碼流中應(yīng)用于表征宏塊量化參數(shù)變化的句法比特?cái)?shù)，該方法是優(yōu)化了小波視頻碼率控制方法的一致性，能夠使編碼圖像質(zhì)量均勻性提高，低碼率的視頻應(yīng)用中應(yīng)用性增強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)顯示，此方法滿足了高精度輸出碼率標(biāo)準(zhǔn)，并且同JVT-G012相比重建視頻質(zhì)量更優(yōu)，是有效的碼率控制策略之一。然而，針對(duì)運(yùn)動(dòng)量較大的序列，該文的碼率控制方案同JVT-G012相比較并不具有什么優(yōu)勢(shì)，這也成為一個(gè)值得今后深入思考，研究的問(wèn)題之一。