基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法研究

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614000)

0 引言

在視頻應用時，碼率控制占據重要地位，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量水平為目的。為得到更優質的視覺感受，擁有相同的圖像質量為視頻編碼期望特性之一[1]。一般情況下，碼率控制算法的優化力求幀圖像失真度最小，這堪稱整體意義上對圖像質量進行優化，也許會造成各幀圖像內每個宏塊的信噪比不集中分布的問題，圖像每個部分質量波動很大，導致了主觀視覺質量水平降低[2]。在目前的視頻壓縮編碼標準中，由于對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，每個幀圖像的活動性也不一樣，導致每個幀編碼后生成的比特數有某些差異[3]。

編碼速率控制是為了使編碼器輸出的碼流達到穩定，盡可能消除編碼端緩沖器溢出問題，進一步提高重建圖像質量。過去利用小波視頻碼率控制方式，該方式可以針對信號執行多分辨分析與時頻局部化操作，恢復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樹集合分區的算法量化效度系數[4]。即便此方法有很好的控制效果，但因為交換緩沖器的容量不是無限的，視頻碼流的突發性有形成擁塞的危險，繼而造成丟失緩沖器溢出與信元的后果，傳輸的服務質量會降低。因此，以CPLD芯片為基礎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芯片的碼率為基礎的控制方式，借助它的低復雜度、高控制精度達到提高運算速度與控制精度的目的，使當前碼率控制算法的性能占據較大優勢[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、視頻質量控制、主動跳幀控制和編碼碼率控制4個模塊組成，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

借助視頻解碼芯片，解碼當前的模擬視頻信號，并將模擬視頻信號轉化成數字視頻信號，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行增強[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，其型號為sAA7113，該視頻輸入處理器來自于Philips公司。在系統中這個芯片的主要功能是使復合視頻信號CVBS完成A/D轉換指令，并輸出一個數字視頻信號在YUV 4∶2∶2格式中符合ITU656標準，即取樣頻率的兩倍(13.5 MHz)行參考信號HREF、場參考信號VREF和半像素時鐘信號LLC[7]。由于信號鉗位、對比度控制、飽和度控制、抗混疊濾波、自動增益控制與亮度控制等能夠在視頻解碼芯片內部完成，因此，只有在系統上電復位后，依據I2C總線，才能正確地執行視頻解碼芯片內部相關控制寄存器完成初始化設置，即可獲得高質量的數字視頻信號和時鐘信號，用于同步所有系統[8]。

1.1.2 視頻信號格式統一

圖2是一行像素數據的格式。

圖2 視頻信號格式統一

因為數字視頻信號在YUV4∶2∶2格式中，色差信號取樣率是亮度信號取樣率的一半，所以每兩個像素時鐘周期輸出兩個色差信號Cb，Cr和一個灰度信號Y。在CClR556倡議中，將視頻數據中的量化值設定為255和0，并記為保留值。量化數據的串行輸出按此循環，其順序為：Yo、Uo、Y1、vo、Y2、U1、Y3、V1、Y5、U2、Y6、V2[9]。

1.1.3 視頻圖像灰度增強處理

通過灰度線性變換指令，使視頻圖像的灰度進行增強，并利用Verilog HDL敘述CPLD執行算法。再運用SAA7113模擬數字轉換，輸入8位數字視頻信號VPI。在8位灰度映射表中，選擇撥碼開關、半像素時鐘信號LLCI與行場同步Vref、Href；并將輸入的半像素時鐘LLCO與8位數字視頻信號VPO發送到sAA7121H處理器。當每個半像素時鐘信號處于上升沿時，判斷像素是否處于行程狀態或進程狀態。如果是，則設定初始為首個進行上下行參考的信號，將偶數位的取樣點進行灰度變換，根據波碼開關的輸入值選擇相應的變換函數。在進行灰色映射時，使用case分支語句將需要處理的灰色映射表和灰度級進行關聯。將奇數取樣點均設定為0X80(對應的色差信號為0)，去除顏色信息的同時，對圖像進行灰度變換。

1.2 編碼碼率控制

在視頻編碼中，為了達到碼率約束要求目的，需利用固定的比特率輸出，圖像的量化參數會持續變化，圖像質量亦會產生波動；為保證質量的均勻，一般情況下利用確定的量化參數圖對圖像執行量化處理，但是如此輸出的編碼比特率非恒定不變，在有帶寬限制的應用中無法適用。如圖3所示。

圖3 固定編碼比特率與固定圖像質量之間關系

在率失真理論的碼率控制中，優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。因為圖像內容存在差異，在碼率固定的前提條件下，每個宏塊的量化參數必然會有波動，造成圖像的不同部分質量產生波動，對主觀視覺質量造成影響。考慮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：碼率約束達到要求后，最小化每個宏塊量化參數的方差。借助此種優化方式，能夠讓宏塊量化參數分布更為集中，近似于量化參數固定編碼方式，進而取得均勻相同的圖像質量；與此同時，因為帶寬約束得到滿足，固定碼率的編碼方式亦可以應用于帶寬受限的應用環境中。確保正確解碼，每個宏塊的量化參數會被執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，采用的碼率控制方法先計算目前緩沖區比特數，

(1)

依據上述內容，編碼幀目標比特數為：

(2)

式(2)中,λ表示緩沖延遲系數。

提出的基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法需依據當前渲染到紋理值，統計報文丟失率，結合CPLD芯片視頻圖像灰度增強處理內容，估計報文傳輸所需的比特數，具體控制步驟如下所示：

Step1：跳幀控制

統計緩沖區大小，重新計入EC編碼，以此作為數據開銷；

Step2：信道狀態估計

統計前兩幀圖像傳輸反饋的數量，計入糾錯報文之中，由此計算報文出錯率；

Step3：估計需要糾錯時間

設置緩沖區圖像幀數和報文長度，依據所需發送的報文總數糾錯報文出錯率，通過搜索方法計算所需糾錯報文數目；

Step4：確定采用的編碼幀分配所需的比特數，將Step3中得到的渲染到紋理值帶入其中，并根據選擇的模式估計糾錯報文所需比特數。

依據上述內容，完成編碼碼率控制。

1.3 視頻質量控制

在視頻碼率控制中，評價控制算法優劣的主要依據為視頻碼率，但應用視頻碼率的同時，還需要對視頻質量進行控制，所以需要引入一個質量控制模塊。

1.3.1 視頻采集

視頻采集依靠采集程序與計算機內置的采集卡完成。檔次高的采集卡對應生成高質量視頻。某些視頻采集卡可以執行硬壓縮，采集速度很快。盡量應用高質量的采集卡進行視頻的捕捉，保證圖像效果較好。針對某些可以執行壓縮的采集卡，采集成AVI格式視頻具有較好效果。進行采集時，可利用隨卡帶的采集程序，亦可運用Premiere的采集程序。借助Premiere的cuptu:命令采集時，需要在模擬信號與DV信號中區分出視頻信號源，在cupture format采集格式中選取composite(模擬復合)或者是DV(數字視頻)。條件允許的情況下，首選DV格式采集。

1.3.2 視頻編輯

視頻作品質量的提高是視頻媒體編輯的重要過程，借助對采集壓縮后的視頻素材執行編輯操作，讓視頻感染力、表現力增強。編輯過程為：將編輯程序打開，新建視頻編輯項目，把數字化的視頻素材傳輸進此項目窗口，對素材進行選擇，設置素材在編輯軌上的展開方式，之后調用編輯軟件供給的各個軟件，比如剪輯、重新排序、銜接素材、添加特效、運動疊加、中英文字幕等。

視頻節目編輯成功之后，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，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，需要進行選擇，原因是某些濾鏡效果會使原視頻劣質化，清晰度顯著降低，可以決定少加甚至是不加。此外，不超過視頻的目標任務的情況下，力求視頻壓縮的比特率得到提高，圖像細節的損失減少。

1.4 主動跳幀控制

對于解碼器，如果在編碼端存在跳幀控制，則解碼端將重復前一幀圖像的內容，使解碼后的重構視頻序列滿足指定的幀速率。或者可以使用之前編碼幀的重建幀，計算通過幀的峰值信噪比。如果第j幀被跳過(事實上，沒有跳過幀)，則使用前一重建幀的第j-1幀。如果峰值信噪很小，則說明跳過當前幀并沒有顯著降低PSNR，即可得到視頻質量沒有顯著變化，能夠作為跳幀控制策略。與一般的跳幀相比，即可作為主動跳幀控件。如果該幀滿足主動跳幀的要求，則會生成兩種效果:首先是未對幀進行編碼，保存一些碼字，降低模式判斷和運動估計，并減少計算量；其次，緩沖區空間被空出，緩沖區充盈度的減小，將造成控制器無法準確調整后續幀的量化參數。

2 實驗分析

為了驗證基于CPLD芯片的視頻圖像碼率控制方法的有效性，對標準測試序列(共100幀)進行測試分析，并與小波視頻碼率控制方法相比較。測試序列為QCIF格式，幀頻率為20 f/s，以50 kb/s速率進行編碼，緩沖器容量為3 500 bit。

在視頻圖像細節簡單情況下，分析不同控制方法下緩沖器所占用量對比分析，結果如圖4所示。

圖4 不同控制方法下緩沖器所占用量對比分析

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，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較小。

在視頻圖像細節豐富情況下，需將視覺圖像質量一致性以幀內失真度均方誤差作為度量準則，該誤差計算公式為：

(3)

式中,M表示視頻圖像數量；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行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 兩種方法的失真度方差對比分析

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為40～60幀時，均方誤差達到最高為180；而基于CPLD芯片控制方法在該幀數范圍內，均方誤差達到最高為270。在foreman序列下，采用小波視頻碼率控制方法在幀數為60幀時，均方誤差達到最高為520；而基于CPLD芯片控制方法也在60幀時，均方誤差達到最高為510。在coastguard序列下，采用小波視頻碼率控制方法在幀數為100幀時，均方誤差達到最高為800；而基于CPLD芯片控制方法也在100幀時，均方誤差達到最高為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。

基于上述內容，統計實際峰值信噪比PSNR_Y、PSNR_U、PSNR_V和輸出碼率大小，如表1所示。

表1 實際峰值信噪比輸出碼率大小分析

依據表1所示實際值，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)對碼率控制精準度進行對比分析，結果如表2所示。

表2 兩種方法碼率控制精準度對比分析

PSNR_Y/dB峰值信噪比：采用小波視頻碼率控制方法在miss-am序列下與實際值相差2.91，在foreman序列下與實際值相差5.09，在coastguard序列下與實際值相差1.12；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實際值相差0.15，在foreman序列下與實際值相差1.51，在coastguard序列下與實際值相差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序列下與實際值相差2.94，在foreman序列下與實際值相差1.01，在coastguard序列下與實際值相差0.93；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實際值相差0.14，在foreman序列下與實際值相差0.06，在coastguard序列下與實際值相差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序列下與實際值相差5.48，在foreman序列下與實際值相差4.2，在coastguard序列下與實際值相差2；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下與實際值相差0.15，在foreman序列下與實際值相差1.51，在coastguard序列下與實際值相差0.27。

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

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

3 結束語

文中提出以CPLD芯片為基礎的視頻圖像碼率控制策略，帶寬約束滿足情況下，在一幀圖像范圍內對每個宏塊量化參數的方差進行最小化處理，此準則能夠均勻圖像質量。與此同時，節省編碼碼流中應用于表征宏塊量化參數變化的句法比特數，該方法是優化了小波視頻碼率控制方法的一致性，能夠使編碼圖像質量均勻性提高，低碼率的視頻應用中應用性增強。

實驗顯示，此方法滿足了高精度輸出碼率標準，并且同JVT-G012相比重建視頻質量更優，是有效的碼率控制策略之一。然而，針對運動量較大的序列，該文的碼率控制方案同JVT-G012相比較并不具有什么優勢，這也成為一個值得今后深入思考，研究的問題之一。