一種宏塊級碼率控制方案*

程 飛，鄒雪妹，滕國偉，王國中

（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）

1 引言

對于視頻通信，由于通信帶寬有限，需要對視頻編碼碼率進行控制，以保證信道帶寬的充分利用和在接收端有良好和穩(wěn)定的接收質(zhì)量。現(xiàn)有的視頻壓縮標準都對其進行了廣泛的研究。針對不同的應(yīng)用場合，專家們提出了多種碼率控制策略，較為經(jīng)典的算法有：MPEG-2的TM5、MPEG-4 的 VM8[1]、H.263 的 TMN8[2]， 以 及 H.264/AVC中采用的JVT-G012等碼率控制算法[3]。JVT-G012算法對于宏塊級碼率控制，在實際實現(xiàn)中，不僅需要保存每個宏塊的相關(guān)參數(shù)，而且每個宏塊在編碼之前都要進行參數(shù)的更新并求解二次方程，計算復(fù)雜度較高，不能很好地滿足實際應(yīng)用的需要。

如果能在RDO模式判別前可以預(yù)測出當前幀的編碼復(fù)雜度、計算出達到目標比特數(shù)所需的量化級當然最好，但在RDO模式判決之前能得到的信息很少，主要是利用與參考宏塊的相關(guān)性來預(yù)測，這在序列變化劇烈和場景發(fā)生變化的情況下很難預(yù)測準確。宏塊級碼控與幀級碼控相比，優(yōu)點當然是控制準確，缺點就是要花費很多比特數(shù)去編ΔQP。ΔQP越大，不為零的數(shù)越多，所耗的比特數(shù)就越多，PSNR值就會相應(yīng)降低，圖像質(zhì)量也就相應(yīng)變差。所以宏塊級碼控方案應(yīng)該盡量減少不必要的比特數(shù)浪費，以求在控制精度的同時有較高的圖像質(zhì)量。

2 宏塊級碼率控制算法

在CAVLC中對DCT系數(shù)采用游程編碼，而游程編碼主要是對零的游程長度和非零數(shù)進行編碼，所以在一定程度上游程長度和非零數(shù)可以反映出對DCT系數(shù)編碼所耗的比特數(shù)。因此，可以利用DCT系數(shù)量化后零的游程和非零數(shù)來預(yù)測出DCT系數(shù)編碼所耗的比特數(shù)[4]。宏塊的頭信息主要包括宏塊類型、參考索引、運動向量差值、編碼塊模式、量化參數(shù)差值等，其中只有運動向量差值是隨著情況的不同而大量變化的，其他參數(shù)所用比特數(shù)基本上相對固定[5]。本文用運動向量的個數(shù)和運動向量差值的非零數(shù)預(yù)測宏塊頭比特數(shù)。但在H.264編碼中不管是要得到游程長度和非零數(shù)，還是要得到運動向量差值都必須先確定量化參數(shù)，這就是所謂的“蛋雞悖論”。本文的方法是先利用前一宏塊的量化參數(shù)進行模式判決和量化，然后根據(jù)量化后的信息估計當前宏塊可能產(chǎn)生的比特數(shù)，并與目標比特數(shù)進行比較，來判斷當前宏塊的量化參數(shù)是否變化，若變化則用新的量化參數(shù)重新進行模式判決 （只需用新的QP確定系數(shù)λ重新進行比較和判斷）和量化。若量化參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，不僅碼控復(fù)雜度會大大提升，而且需要消耗大量比特數(shù)對ΔQP編碼。因此在保障控制準確的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少量化參數(shù)的變化，避免不必要的比特數(shù)浪費，提高圖像質(zhì)量。

本文的碼率控制算法除每個GoP中的第一個P幀外，對所有其他幀間預(yù)測的幀進行控制。如果對每個GoP的第一個P幀也采用相同的碼率控制算法，則由于P幀圖像和I幀圖像在編碼特性上的差異，碼率控制會有較大誤差，因此沿用JVT-G012的方法，對于每個GoP中I幀和第一個P幀采用預(yù)定義的量化參數(shù)進行編碼，碼率控制只對每個GoP的第二個P幀開始的所有幀間預(yù)測圖像進行控制。此外，在GoP、幀級目標碼率分配上，本文算法使用的是JVT-G012的方案。

本文算法主要包括以下幾步：

1）根據(jù)帶寬和輸入序列格式確定一組系數(shù)（a，b，c）和閾值THMAX；

2）為宏塊分配目標比特數(shù)；

3）采用JVT-G012的方法用預(yù)定義的量化參數(shù)對I幀和第一個P幀進行編碼；

4）從第二個P幀開始，第一個宏塊的量化參數(shù)使用前一幀的平均量化參數(shù)；

5）根據(jù)運動向量的差值確定當前宏塊頭的比特數(shù)；

6）根據(jù)亮度和色度量化后零的游程長度和、非零數(shù)的數(shù)目及非零數(shù)的和來預(yù)測當前宏塊殘差值產(chǎn)生的比特數(shù)；

7）根據(jù)5），6）兩步，預(yù)測當前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)并與目標比特數(shù)進行比較，確定當前宏塊的量化參數(shù)是否發(fā)生變化，若變化則用新的量化參數(shù)重新進行模式判決和量化，否則繼續(xù)進行編碼；

8）若當前宏塊模式是幀內(nèi)和跳過模式，量化參數(shù)與前一宏塊量化參數(shù)保持一致。

3 宏塊級目標比特數(shù)的分配和當前宏塊所耗比特數(shù)的預(yù)測

現(xiàn)有的碼控方案主要包括兩個方面，一個是根據(jù)帶寬分配目標比特數(shù)，另一個就是建立一個量化參數(shù)與目標比特數(shù)的模型，然后根據(jù)這個模型計算出達到目標碼字所需的量化級[6-8]。本算法并沒有建立一個RQ模型，而是通過前一量化參數(shù)進行模式判決和量化，再通過量化后信息預(yù)測當前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)并與目標比特數(shù)比較，來判斷當前宏塊的量化參數(shù)增加、減少或不變。

1）宏塊級目標比特數(shù)的分配

（1）使用JVT-G012的方案為GoP和幀分配目標比特數(shù)Frbits；

（2）宏塊目標比特數(shù)MBtbits的分配主要由先前宏塊所耗比特數(shù)Src_bits和剩下多少個宏塊Units決定

2）當前宏塊所耗比特數(shù)的預(yù)測

DCT系數(shù)所耗比特數(shù)TBmb（qp）的預(yù)測

式中：Xmb（qp）為DCT系數(shù)量化后非零數(shù)的個數(shù)；Ymb（qp）為DCT系數(shù)量化后零的游程長度和；Zmb（qp）為量化后AC系數(shù)非零數(shù)的和。

宏塊頭所耗比特數(shù)HBmb（qp）的預(yù)測

式中： MVn（qp）為運動向量的個數(shù)； MVDnz（qp）為運動向量差值非零的個數(shù)。

計算預(yù)測的宏塊比特數(shù) TBmb（qp）+HBmb（qp）與宏塊分配的目標比特數(shù)MBtbits兩者的差值

并與閾值 THMAX比較：若 abs（Difbits）>THMAX），DeltaQP=1，否則 DeltaQP=0；若（Difbits>0），QP+=DeltaQP，否則 QP-=DeltaQP。

可以通過調(diào)節(jié)閾值THMAX和系數(shù)a，b，c來實現(xiàn)在保證精度的情況下，充分利用比特數(shù)提升圖像質(zhì)量。

4 實驗結(jié)果和分析

在JVT的校驗?zāi)Ｐ蚃M86上實現(xiàn)了筆者提出的碼率控制策略，并和JVT提案中的碼率控制策略JVT-G012進行比較。實驗使用標準的CIF測試序列：news，bus，foreman，mobile，football和 tempete。 實驗條件按照實際應(yīng)用要求確立，幀率為25f/s（幀/秒），給定第一個I幀的QP為28，其他測試條件如表1。實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可見，本文的碼率控制算法碼率控制得很好，PSNR值也很高。

表1 測試條件

表2 兩種算法碼率控制效果對比

為了更清楚地表明這兩種碼率控制的效果，圖1給出兩種方法下foreman和tempete各幀的PSNR，本算法PSNR變化比JVT-G012平緩，具有較高的主觀視覺質(zhì)量。圖2給出了兩種方法下foreman和tempete各幀的比特數(shù)，本算法各幀所產(chǎn)生的比特數(shù)與目標比特數(shù)的匹配情況比JVT-G012更好，更精確地計算出了達到目標比特數(shù)所需的量化級。

5 結(jié)語

圖2 foreman和tempete序列兩種方法下的每幀比特數(shù)波動曲線比較

本文所述碼率控制算法先用前一宏塊的量化參數(shù)進行模式判決和量化，然后使用量化之后的信息估計當前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，因為是利用當前宏塊量化后的信息來估計當前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，估計準確性比較高。而且本算法只是利用已有的信息進行簡單的線性運算來判斷當前宏塊量化參數(shù)是否發(fā)生變化，然后在極少量化參數(shù)發(fā)生變化的宏塊中用新的量化參數(shù)重新確定系數(shù)λ，重新進行模式判決和量化，計算復(fù)雜度低，大大加快了編碼速度。本算法是一種建立在簡單率失真模型基礎(chǔ)上的宏塊級算法。該算法充分利用了宏塊的實際編碼特性，在保證碼率控制準確性和圖像質(zhì)量的前提下，大幅提高了碼率控制速度。

[1]LEE H J，CHIANG T.Scalable rate control for MPEG-4 video[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2000，10（6）：878-894.

[2]RIBAS-CORBERA J，LEI S.Rate control in DCT video coding for low-delay communications[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1999，9（1）：172-185.

[3]LI Z G，PAN F，LIM K P.Adaptive basic unit layer rate control for JVT，JVT-GO12[C]//Joint Video Team of ISO/IEC and IIU 7th Meeting.Pattaya，Thailand：JVT，2003.

[4]CHAN D-Y，CHANG C-Y.Low-complexity two-stage rate-control with succinct DCT-abundance modeling and consistence enhancement for low-delay video coding[R].JVCI-08-371.

[5]ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 and ITU-T SG16 Q.6，H.264/MPEG-4 AVC Reference Software Manual[S].2005.

[6]TSAI J C，HSIEH C H.Modified TMN8 rate control for low-delay video communication[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2004，14（6）：864-868.

[7]CHIANG T，ZHANG Y.A new rate control scheme using quadratic rate distortion model[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1997，7（1）：246-250.

[8]WEI J，SOONG B H，LI Z G.A new rate-distortion model for video transmission using multiple logarithmic functions[J].IEEE Signal Processing Letters，2004，11（8）：694-697.