一種宏塊級(jí)碼率控制方案

1、文章編號(hào)：10028692（2010）06-0023-03一種宏塊級(jí)碼率控制方案*實(shí)用設(shè)計(jì)程飛，鄒雪妹，滕國(guó)偉，王國(guó)中（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）【摘 要】 主要針對(duì)現(xiàn)有的碼率控制方案在場(chǎng)景變化和運(yùn)動(dòng)劇烈的情況下控制不準(zhǔn)的缺陷和復(fù)雜度過大不適于實(shí)際運(yùn)用的情況，提出了一套新的碼控方案，利用當(dāng)前宏塊與前一宏塊的相關(guān)性和熵編碼中的一些特性，巧妙地克服了“蛋雞悖論”，并將其在 jm86 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與 jm86 標(biāo)準(zhǔn)代碼中的碼率控制算法 jvt-g012 相比，該算法不僅在控制精度上大約提高了 0.76 kbit/s，而且峰值信噪比平均提高了 0.013 db，

2、同時(shí)還較好地控制了輸出碼率和峰值信噪比的波動(dòng)?！娟P(guān)鍵詞】 視頻編碼；碼率控制；場(chǎng)景變化；模式選擇【中圖分類號(hào)】 tn919.81【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 amacroblock layer rate control algorithmcheng fei, zou xue-mei, teng guo-wei, wang guo-zhong（school of communication and information engineering, shanghai university, shanghai 200072, china ）【abstract】 in this paper, a new rate

3、control method is proposed which aims to overcome the disadvantages of existing methods,including occurrence of inaccurate control when scenes change and tempestuous movement, and too large complexity that is not suitable for practical application. the proposed algorithm makes use of the correlation

4、 of the current and former macroblocks to overcome the egg -chicken paradox, and has been implemented in jm86 （h.264/avc）. the experimental results show that, compared with jvt -g012 in h.264, the proposed method gains 0.76 kbit/s in control precision and 0.013 db in psnr in average. besides, the fl

5、uctuation on bit and psnr are precisely controlled.【key words】 video coding； rate control； scene change； mode selection引言對(duì)于視頻通信，由于通信帶寬有限，需要對(duì)視頻編碼比特?cái)?shù)去編 qp。 qp 越大，不為零的數(shù)越多，所耗的比1特?cái)?shù)就越多，psnr 值就會(huì)相應(yīng)降低，圖像質(zhì)量也就相應(yīng)變差。 所以宏塊級(jí)碼控方案應(yīng)該盡量減少不必要的比特?cái)?shù)浪費(fèi)，以求在控制精度的同時(shí)有較高的圖像質(zhì)量。碼率進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)都對(duì)其宏塊級(jí)碼

6、率控制算法在 cavlc 中對(duì) dct 系數(shù)采用游程編碼，2進(jìn)行了廣泛的研究。 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)于宏塊級(jí)碼率控制，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，不僅需要保存而游程編碼主要是對(duì)零的游程長(zhǎng)度和非零數(shù)進(jìn)行編碼， 所以在一定程度上游程長(zhǎng)度和非零數(shù)可以反映出對(duì) dct 系數(shù)編 碼所耗的比特?cái)?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(cè)出 dct 系數(shù)編碼

7、所耗的比特?cái)?shù)4。 宏塊的頭信息主要包括宏塊類型、參考索引、運(yùn)動(dòng)向量差 值、編碼塊模式、量化參數(shù)差值等，其中只有運(yùn)動(dòng)向量差每個(gè)宏塊的相關(guān)參數(shù)，而且每個(gè)宏塊在編碼之前都要進(jìn)行參數(shù)的更新并求解二次方程，計(jì)算復(fù)雜度較高，不能很好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。如果能在 rdo 模式判別前可以預(yù)測(cè)出當(dāng)前幀的編值是隨著情況的不同而大量變化的，其他參數(shù)所用比特碼復(fù)雜度、計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)比特?cái)?shù)所需的量化級(jí)當(dāng)然最數(shù)基本上相對(duì)固定5。 本文用運(yùn)動(dòng)向量的個(gè)數(shù)和運(yùn)動(dòng)向量差值的非零數(shù)預(yù)測(cè)宏塊頭比特?cái)?shù)。 但在 h.264 編碼中不 管是要得到游程長(zhǎng)度和非零數(shù)， 還是要得到運(yùn)動(dòng)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”。

8、 本好，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(cè)，這在序列變化劇烈和場(chǎng)景發(fā)生變化的情況下很難預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。宏塊級(jí)碼控與幀級(jí)碼控相比，優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然是控制準(zhǔn)確，缺點(diǎn)就是要花費(fèi)很多*上海市信息化委員會(huì)項(xiàng)目（滬信息委產(chǎn)2007212 號(hào)）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（1） 使用 jvt-g012 的方案為 gop 和幀分配目標(biāo)比特?cái)?shù) frbits；（2） 宏塊目標(biāo)比特?cái)?shù) mbtbits 的分配主要由先前宏 塊所耗比特?cái)?shù) src_bits 和剩下多少個(gè)宏塊 units 決定mbtbits= （frbits-src_bits）/units2） 當(dāng)前宏塊

9、所耗比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)dct 系數(shù)所耗比特?cái)?shù) tbmb（qp）的預(yù)測(cè)tbmb（qp）=axmb（qp）+bymb（qp）+cz（mb）式中： xmb（qp）為 dct 系數(shù)量化后非零數(shù)的個(gè)數(shù)； ymb（qp）為 dct 系數(shù)量化后零的游程長(zhǎng)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?cái)?shù) hbmb（qp）的預(yù)測(cè)hbmb（qp）=mmvn（qp）+nmvdnz（qp）式中： mvn（qp）為運(yùn)動(dòng)向量的個(gè)數(shù)； mvdnz（qp）為運(yùn)動(dòng) 向量差值非零的個(gè)數(shù)。計(jì)算預(yù)測(cè)的宏塊比特?cái)?shù) tbmb（qp）+hbmb（qp） 與宏 塊分配的目標(biāo)比特?cái)?shù) mbtbits 兩者的差值difbits=

10、tbmb（qp）+hbmb（qp）-mbtbits并與閾值 thmax 比較：若 abs（difbits）thmax），deltaqp=1， 否則 deltaqp=0；若（difbits0），qp+=deltaqp，否則 qp-= deltaqp?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)閾值thmax和系數(shù) a，b，c 來實(shí)現(xiàn)在保證 精度的情況下，充分利用比特?cái)?shù)提升圖像質(zhì)量。會(huì)大大提升，而且需要消耗大量比特?cái)?shù)對(duì) qp 編碼。因此在保障控制準(zhǔn)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?cái)?shù)浪費(fèi)，提高圖像質(zhì)量。本文的碼率控制算法除每個(gè) gop 中的第一個(gè) p 幀 外，對(duì)所有其他幀間預(yù)測(cè)的幀進(jìn)行控制。 如果對(duì)每個(gè) go

11、p 的第一個(gè) 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(huì)有較大誤差，因此沿用 jvt-g012 的方法，對(duì)于每個(gè) gop 中 i幀和第一個(gè) p 幀采用預(yù)定義的量化參數(shù)進(jìn)行編碼，碼率控制只對(duì)每個(gè) gop 的第二個(gè) p 幀開始的所有幀間預(yù)測(cè)圖像進(jìn)行控制。 此外，在 gop、幀級(jí)目標(biāo)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；為宏塊分配目標(biāo)比特?cái)?shù)；2）3） 采用 jvt-g012 的方法用預(yù)定義的量化參數(shù)對(duì) i幀和第一個(gè) p 幀進(jìn)行編

12、碼；4） 從第二個(gè) p 幀開始，第一個(gè)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(yùn)動(dòng)向量的差值確定當(dāng)前宏塊頭的比特?cái)?shù)；6） 根據(jù)亮度和色度量化后零的游程長(zhǎng)度和、非零數(shù) 的數(shù)目及非零數(shù)的和來預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊殘差值產(chǎn)生的比 特?cái)?shù)；7） 根據(jù) 5），6）兩步，預(yù)測(cè)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比 特?cái)?shù)并與目標(biāo)比特?cái)?shù)進(jìn)行比較， 確定當(dāng)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(jìn)行模 式判決和量化，否則繼續(xù)進(jìn)行編碼；8） 若當(dāng)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析在 jvt 的校驗(yàn)?zāi)Ｐ?jm86 上實(shí)現(xiàn)了筆者提出的碼率4控制策略，進(jìn) 行 比 較 。

13、并和 jvt 提案中的碼率控制策略 jvt-g012實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的 cif 測(cè) 試 序 列 ：news，bus，foreman，mobile，football 和 tempete。 實(shí)驗(yàn)條件按照實(shí)際應(yīng)用要求確立，幀率為 25 f/s （ 幀/秒）， 給定第一個(gè) i 幀的 qp為 28，其他測(cè)試條件如表 1。 實(shí)驗(yàn)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，宏塊級(jí)目標(biāo)比特?cái)?shù)的分配和當(dāng)前宏塊所耗比特?cái)?shù)的預(yù)測(cè)現(xiàn)有的碼控方案主要包括兩個(gè)方面， 一個(gè)是根據(jù)帶 寬分配目標(biāo)比特?cái)?shù)， 另一個(gè)就是建立一個(gè)量化參數(shù)與目 標(biāo)比特?cái)?shù)的模型， 然后根據(jù)這個(gè)模型計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)碼3表 1測(cè)試條件r

14、esolutionoptimizationsearch range參數(shù)mvhadamard rdsearch range restrict設(shè)置1/4 pelon off 322參數(shù)reference symbolframesto-framesmode gop structure beencodedintraperiod設(shè)置1cavlc ipppp15015圖 2 foreman 和 tempete 序列兩種方法下的 每幀比特?cái)?shù)波動(dòng)曲線比較表 2兩種算法碼率控制效果對(duì)比psnr值也很高。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 p

15、snr，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?cái)?shù)，本算法各幀所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)與目標(biāo)比特?cái)?shù)的匹配情況比 jvt-g012 更好，特?cái)?shù)所需的量化級(jí)。更精確地計(jì)算出了達(dá)到目標(biāo)比的信息來估計(jì)當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，估計(jì)準(zhǔn)確性比較高。而且本算法只是利用已有的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性運(yùn)算來判斷當(dāng)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)，重新進(jìn)行模式判決和量化，計(jì)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(jiǎn)單率失真模 型基礎(chǔ)上的宏塊級(jí)算法。

16、該算法充分利用了宏塊的實(shí)際 編碼特性，在保證碼率控制準(zhǔn)確性和圖像質(zhì)量的前提下， 大幅提高了碼率控制速度。參考文獻(xiàn)：1lee h j，chiang t. scalable rate control for mpeg-4 videoj. ieeetrans. circuits and systems for video technology ，2000，10 （6）：878-894.ribas -corbera j ，lei s. rate control in dct video coding for low -delay communications j. ieee trans. circui

17、ts and systems for video technology，1999，9（1）：172-185.li z g ，pan f，lim k p. adaptive basic unit layer rate control forjvt，jvt -go12 c/joint video team of iso/iec and iiu 7thmeeting. pattaya，thailand：jvt，2003.chan d-y ，chang c-y. low -complexity two -stage rate -control（下轉(zhuǎn)第 34 頁(yè)）2結(jié)語(yǔ)本文所述碼率控制算法先用前一宏塊的

18、量化參數(shù)進(jìn)53行模式判決和量化，然后使用量化之后的信息估計(jì)當(dāng)前4宏塊有可能產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，因?yàn)槭抢卯?dāng)前宏塊量化后測(cè)試 序列測(cè)試碼率/（kbits-1）控制精度/（kbits-1）碼率偏移/（kbits-1）psnr/dbjvt-g012新算法jvt-g012新算法jvt-g012新算法news 128 128.49 128.46 0.49 0.46 33.54 33.72 foreman 256 256.95 255.41 0.95 -0.59 34.52 34.55 bus 384385.30 320.831.300.8328.9028.05 mobile 512513.28 512.071

19、.28 0.07 27.4327.45 football 512 521.24 516.89 8.98 4.8933.84 33.80tempete 512513.26512.001.260.0030.3530.39降低成本，增加了編程的靈活性。示；3） 讀取 flash 存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)。筆者采用由 cypress 公司生產(chǎn)的 ez-usb設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。fpga 的外圍硬件電2）fx2 系列路簡(jiǎn)單，可以減小硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。fpga 的時(shí)序芯片中的 cy7c68013 芯片，該芯片是針對(duì) usb2.0 的，它支持 2 種傳輸速率：全速（full speed）12 mbit/s，

20、高速（high speed）480 mbit/s。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸要求 cy7c68013 芯片數(shù) 據(jù)傳輸速率高于 6 mbyte/s，因此，將數(shù)據(jù)傳輸模式配置 為高速（high speed）480 mbit/s 模式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí) 時(shí)性。 實(shí)時(shí)上傳 cmos 圖像傳感器捕獲的圖像數(shù)據(jù)與存 儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取方式一樣。 其速率通過實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 了圖像的連貫性。邏輯調(diào)試可在軟件上仿真實(shí)現(xiàn)， 因而大大降低硬件調(diào)試難度。3） 系統(tǒng)具有獨(dú)立性，可以獨(dú)立完成數(shù)字圖像的采集 存儲(chǔ)，不需要計(jì)算機(jī)的控制。通過對(duì)系統(tǒng)添加視頻壓縮模塊， 可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)4）時(shí)間視頻信息的采集存儲(chǔ)， 作為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤硬件系統(tǒng)在圖像

21、捕獲模塊中已經(jīng)得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過采集存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)6馬利剛 ，馬鐵華. 基于 fpga 的實(shí) 時(shí)圖 像采 集系 統(tǒng)設(shè)計(jì)j. 計(jì)量 與測(cè)試技術(shù)，2009（12）：51-56.samsung semiconductor. k9nbg08u5a datasheeteb/ol.2010-01-20.http：/ -pdf/pdf/170554/samsung/ k9nbg08u5a.html.錢峰. ez_usb fx2 單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.譚樹人，張茂軍，徐偉. 多傳感器同步圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.電視 技術(shù)，2006，

22、30（9）：84-87.筧1的可行性和實(shí)時(shí)性。幀圖片。圖 3 是從實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)中捕獲的單234作者簡(jiǎn)介：劉攀（1984- ），碩士生，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)集成技術(shù)；王紅亮（1978- ），講師，碩士生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、目標(biāo)識(shí)別；孟令軍（1969- ），副教授，博士生，研究方向?yàn)榧蓽y(cè)量系統(tǒng)及儀 器、微納儀器及測(cè)試技術(shù)。責(zé)任編輯：任健男收稿日期：2010-03-20筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧筧（上接第 25 頁(yè)）wi