一種宏塊級碼率控制方案

1、文章編號：10028692（2010）06-0023-03一種宏塊級碼率控制方案*實用設(shè)計程飛，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）【摘 要】 主要針對現(xiàn)有的碼率控制方案在場景變化和運動劇烈的情況下控制不準(zhǔn)的缺陷和復(fù)雜度過大不適于實際運用的情況，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 平臺上實現(xiàn)。 實驗結(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、同時還較好地控制了輸出碼率和峰值信噪比的波動。【關(guān)鍵詞】 視頻編碼；碼率控制；場景變化；模式選擇【中圖分類號】 tn919.81【文獻標(biāo)識碼】 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引言對于視頻通信，由于通信帶寬有限，需要對視頻編碼比特數(shù)去編 qp。 qp 越大，不為零的數(shù)越多，所耗的比1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。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(biāo)準(zhǔn)都對其宏塊級碼

6、率控制算法在 cavlc 中對 dct 系數(shù)采用游程編碼，2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

7、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(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、計算出達(dá)到目標(biāo)比特數(shù)所需的量化級當(dāng)然最數(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”。

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，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(zhǔn)確。宏塊級碼控與幀級碼控相比，優(yōu)點當(dāng)然是控制準(zhǔn)確，缺點就是要花費很多*上海市信息化委員會項目（滬信息委產(chǎn)2007212 號）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)比特數(shù) frbits；（2） 宏塊目標(biāo)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mbtbits= （frbits-src_bits）/units2） 當(dāng)前宏塊

9、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hbmb（qp）=mmvn（qp）+nmvdnz（qp）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(biāo)比特數(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。會大大提升，而且需要消耗大量比特數(shù)對 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 go

11、p 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(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)比特數(shù)；2）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

12、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(dāng)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(dāng)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(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比 特數(shù)并與目標(biāo)比特數(shù)進行比較， 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)重新進行模 式判決和量化，否則繼續(xù)進行編碼；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。實驗結(jié)果和分析在 jvt 的校驗?zāi)Ｐ?jm86 上實現(xiàn)了筆者提出的碼率4控制策略，進 行 比 較 。

13、并和 jvt 提案中的碼率控制策略 jvt-g012實驗使用標(biāo)準(zhǔn)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 25 f/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，宏塊級目標(biāo)比特數(shù)的分配和當(dāng)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(biāo)比特數(shù)， 另一個就是建立一個量化參數(shù)與目 標(biāo)比特數(shù)的模型， 然后根據(jù)這個模型計算出達(dá)到目標(biāo)碼3表 1測試條件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 每幀比特數(shù)波動曲線比較表 2兩種算法碼率控制效果對比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 各幀的比特數(shù)，本算法各幀所產(chǎn)生的比特數(shù)與目標(biāo)比特數(shù)的匹配情況比 jvt-g012 更好，特數(shù)所需的量化級。更精確地計算出了達(dá)到目標(biāo)比的信息來估計當(dāng)前宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，估計準(zhǔn)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(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。

16、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(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：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）2結(jié)語本文所述碼率控制算法先用前一宏塊的

18、量化參數(shù)進53行模式判決和量化，然后使用量化之后的信息估計當(dāng)前4宏塊有可能產(chǎn)生的比特數(shù)，因為是利用當(dāng)前宏塊量化后測試 序列測試碼率/（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)計結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。fpga 的外圍硬件電2）fx2 系列路簡單，可以減小硬件設(shè)計的復(fù)雜程度。fpga 的時序芯片中的 cy7c68013 芯片，該芯片是針對 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。 實時數(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?時性。 實時上傳 cmos 圖像傳感器捕獲的圖像數(shù)據(jù)與存 儲器數(shù)據(jù)讀取方式一樣。 其速率通過實時傳輸實驗驗證 了圖像的連貫性。邏輯調(diào)試可在軟件上仿真實現(xiàn)， 因而大大降低硬件調(diào)試難度。3） 系統(tǒng)具有獨立性，可以獨立完成數(shù)字圖像的采集 存儲，不需要計算機的控制。通過對系統(tǒng)添加視頻壓縮模塊， 可以實現(xiàn)更長4）時間視頻信息的采集存儲， 作為運動目標(biāo)檢測跟蹤硬件系統(tǒng)在圖像

21、捕獲模塊中已經(jīng)得到應(yīng)用。參考文獻：實驗結(jié)果通過采集存儲實驗和實時顯示實驗，驗證了該系統(tǒng)6馬利剛 ，馬鐵華. 基于 fpga 的實 時圖 像采 集系 統(tǒng)設(shè)計j. 計量 與測試技術(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j.電視 技術(shù)，2006，

22、30（9）：84-87.筧1的可行性和實時性。幀圖片。圖 3 是從實時顯示實驗中捕獲的單234作者簡介：劉攀（1984- ），碩士生，研究方向為微系統(tǒng)集成技術(shù)；王紅亮（1978- ），講師，碩士生，研究方向為動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理、目標(biāo)識別；孟令軍（1969- ），副教授，博士生，研究方向為集成測量系統(tǒng)及儀 器、微納儀器及測試技術(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）wi