一種改進的H.264/AVC幀層碼率控制算法

陳 曉，劉海英

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044)

隨著國際互聯網和移動通信技術的發展，3G網絡逐漸普及，基于多媒體的各種海量視頻數據如何在網絡帶寬和存儲空間有限的情況下進行傳輸，使得視頻壓縮編碼技術顯得尤為重要，而碼率控制是視頻編碼中最為重要的部分之一，碼率控制的好壞直接影響圖像的編碼質量。碼率控制就是調整視頻編碼輸出的碼率，使之與預設的碼率即傳輸帶寬相匹配，同時獲得最小的解碼失真。在不影響視覺的情況下，輸出碼率越接近預設碼率越好。

視頻壓縮編碼H.264是圖像通信領域的一個熱點。目前，針對H.264/AVC的JVT-G012碼率控制算法中的不足已經有相當多的研究。文獻［1］利用MADratio來表征圖像復雜度進行幀層目標比特分配;文獻［2］提出了一種基于PSNR的幀復雜度估計碼率控制算法;文獻［3］提出一種基于拉格朗日的量化參數調整的碼率控制算法;文獻［4］提出一種基于感興趣區域的目標比特分配方法;文獻［5］提出了一種利用幀復雜度系數來調節幀層目標比特分配;文獻［6］利用一種新的率失真模型來進行碼率控制;文獻［7］引入了一種內容復雜度因子來分配目標比特;文獻［8］綜合了MAD(mean absolute difference)和MV(motion vector)提出一種新的參數MADMV，來反映圖像復雜度;文獻［9］提出一種ρ域線性率失真模型碼率控制算法;文獻［10］采用MAD加權的模型，并結合位置權對基本單元層的目標比特進行分配;文獻［11］是提出了一種基于紋理的幀內預測算法;文獻［12］提出了一種適合硬件實現的宏塊級碼率控制算法。

上述方法都給編碼器帶來很多額外的開銷，本文提出一種利用幀差法來表征圖像復雜度的方法，并利用緩沖區充盈度來調整量化參數的方法，簡單有效，并且該算法基本沒有給編碼器帶來額外的開銷，在實時通信中更能顯示出其優勢。

1 JVT-G012幀層碼率控制算法

計算P幀的目標比特數，見公式(1)

式中:β是一個常數，當無B幀時，β的值為0.5，否則為0.9;f'(ni，j)為考慮緩沖區反饋得到的比特數ni，j)是由當前GOP中剩余的比特數，圖像相對復雜度Wb，Wp和P，B幀的數目Np，Nb共同決定的，Tr表示剩余比特數，公式為

當編碼中無B幀時，公式(2)變為

由公式(3)可以得出，剩余比特平均分配給了每一幀，并沒有考慮圖像的復雜度。但事實上，每一幀的圖像復雜度是不同的，平均分配會導致圖像內容變化不大，理論上需要較少比特的時候，反而分配了相對多的比特，致使比特浪費;當圖像內容變化大理論上需要較多的比特的時，反而分配了較少的比特，致使編碼效果不好，導致圖像失真，影響視頻圖像的質量。

2 改進的幀層碼率控制算法

2.1 考慮圖像復雜度的目標比特分配

根據上述對JVT-G012在幀層對P幀目標比特平均分配的問題，本文充分考慮了圖像復雜度，利用一種簡單有效的幀差法來衡量圖像的復雜度，圖像復雜度因子α計算公式為

其中

式中:β1，β2是可以經過實驗來確定的兩個常系數;YC(x，y)和YP(x，y)分別表示當前幀和前一幀的重構幀在位置(x，y)上的亮度值;Frm_diff(i)表示第i幀的幀差值。因此用圖像復雜度因子α來整理公式(3)，得

2.2 調整量化參數

本文采用一種新的量化參數因子adjust_qp進行量化參數的調整，它是當前緩沖區的充盈度和目標緩沖大小的比值，見公式(7)

式中:QP是JVT-G012算法中利用二次模型得出的量化參數。

3 實驗仿真結果

為了驗證本文算法的有效性，所有的實驗都是在JVT的校驗模型JM10.1上進行的，并和JVT-G012算法進行了對比，表1、表2是測試序列的峰值信噪比的比較。實驗在目標碼率為48 kbit/s和64 kbit/s，對QCIF 4∶2∶0格式的測試序列highway，carphone，foreman，mother，silent，akiyo進行測試。圖1和圖2分別是測試序列akiyo和foreman在JVT-G012算法和本文算法下得出的峰值信噪比PSNR和緩沖區充盈度CurrentBufferFullness的曲線比較;圖3和圖4是測試序列foreman和mother的主觀質量比較圖。實驗中所有序列按IPPP結構編碼，GOP長度為20，幀率為30 f/s(幀/秒)，共編碼200幀。

表1 JVT-G012和本文算法的PSNR比較

表2 JVT-G012和本文算法的碼率比較

圖1 akiyo的PSNR比較圖

為了更好地說明兩種算法控制碼率的精確能力，定義碼率偏差E_bit_rate為

式中:ractual是實際產生的碼率;rtarget是設定的目標碼率。E_bit_rate越小，說明碼率控制得越精確，越接近目標碼率;反之，同理。

從表1和表2的實驗結果可以清楚地看出，本文算法不僅能夠使實際產生的碼率更接近目標碼率，而且PSNR也有所提高。尤其是在目標碼率為64 kbit/s的情況下，測試序列carphone的碼率偏差減小了2.37%。在目標碼率為64 kbit/s時，測試序列akiyo的PSNR提高了0.23 dB，碼率誤差減小了0.67%。

由圖1可以看出本文算法得到的PSNR波動較小，不會造成視頻質量的突然下降，這都是由于在幀層考慮了圖像復雜度的結果。由圖2可以看出，本文提出的算法使緩沖區充盈度更穩定，不會出現較大的波動，能夠有效地避免緩沖區的上溢，不會出現跳幀現象，而引起圖像太大的失真。圖3和圖4中，左邊為JVT-G012的到的主觀質量圖，右邊為本文算法得到的主觀質量圖，從圖中可以看出，本文算法得到的視頻質量更好，這是由于本文根據圖像復雜度的不同而相應地對每一幀分配不同的比特，而JVTG012是平均分配比特。

4 結束語

通過分析JVT-G012算法在幀層目標比特分配的不足，本文考慮了圖像復雜度，利用圖像復雜度因子對幀層進行合理的目標比特分配，并利用緩沖區充盈度來調整量化參數。經過實驗證明，本文算法優于JVT-G012算法，不僅能夠精確地控制碼率，而且PSNR也有所提高。在一定帶寬的情況下，本文算法能夠呈現更好的視頻質量。本算法相比其他算法簡單，易于硬件實現，有良好的應用前景。

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