一种宏块级码率控制方案.doc

文章编号：10028692（2010）06-0023-03一种宏块级码率控制方案*·实用设计·程飞，邹雪妹，滕国伟，王国中（上海大学 通信与信息工程学院，上海 200072）【摘 要】 主要针对现有的码率控制方案在场景变化和运动剧烈的情况下控制不准的缺陷和复杂度过大不适于实际运用的情况，提出了一套新的码控方案，利用当前宏块与前一宏块的相关性和熵编码中的一些特性，巧妙地克服了“蛋鸡悖论”，并将其在 JM86 平台上实现。 实验结果表明，与 JM86 标准代码中的码率控制算法 JVT-G012 相比，该算法不仅在控制精度上大约提高了 0.76 kbit/s，而且峰值信噪比平均提高了 0.013 dB，同时还较好地控制了输出码率和峰值信噪比的波动。【关键词】 视频编码；码率控制；场景变化；模式选择【中图分类号】 TN919.81【文献标识码】 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 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 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 fluctuation on bit and PSNR are precisely controlled.【Key words】 video coding； rate control； scene change； mode selection引言对于视频通信，由于通信带宽有限，需要对视频编码比特数去编 QP。 QP 越大，不为零的数越多，所耗的比1特数就越多，PSNR 值就会相应降低，图像质量也就相应变差。 所以宏块级码控方案应该尽量减少不必要的比特数浪费，以求在控制精度的同时有较高的图像质量。码率进行控制，以保证信道带宽的充分利用和在接收端有良好和稳定的接收质量。现有的视频压缩标准都对其宏块级码率控制算法在 CAVLC 中对 DCT 系数采用游程编码，2进行了广泛的研究。 针对不同的应用场合，专家们提出了多种码率控制策略 ， 较为经典的算法有 ：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 等码率控制算法3。 JVT-G012 算法对于宏块级码率控制，在实际实现中，不仅需要保存而游程编码主要是对零的游程长度和非零数进行编码， 所以在一定程度上游程长度和非零数可以反映出对 DCT 系数编 码所耗的比特数。 因此，可以利用 DCT 系数量化后零的 游程和非零数来预测出 DCT 系数编码所耗的比特数4。 宏块的头信息主要包括宏块类型、参考索引、运动向量差 值、编码块模式、量化参数差值等，其中只有运动向量差每个宏块的相关参数，而且每个宏块在编码之前都要进行参数的更新并求解二次方程，计算复杂度较高，不能很好地满足实际应用的需要。如果能在 RDO 模式判别前可以预测出当前帧的编值是随着情况的不同而大量变化的，其他参数所用比特码复杂度、计算出达到目标比特数所需的量化级当然最数基本上相对固定5。 本文用运动向量的个数和运动向量差值的非零数预测宏块头比特数。 但在 H.264 编码中不 管是要得到游程长度和非零数， 还是要得到运动向量差 值都必须先确定量化参数，这就是所谓的“蛋鸡悖论”。 本好，但在 RDO 模式判决之前能得到的信息很少，主要是利用与参考宏块的相关性来预测，这在序列变化剧烈和场景发生变化的情况下很难预测准确。宏块级码控与帧级码控相比，优点当然是控制准确，缺点就是要花费很多*上海市信息化委员会项目（沪信息委产2007212 号）断）和量化。 若量化参数经常发生变化，不仅码控复杂度（1） 使用 JVT-G012 的方案为 GoP 和帧分配目标比特数 Frbits；（2） 宏块目标比特数 MBtbits 的分配主要由先前宏 块所耗比特数 Src_bits 和剩下多少个宏块 Units 决定MBtbits= （Frbits-Src_bits）/Units2） 当前宏块所耗比特数的预测DCT 系数所耗比特数 TBmb（qp）的预测TBmb（qp）=a×Xmb（qp）+b×Ymb（qp）+c×Z（mb）式中： Xmb（qp）为 DCT 系数量化后非零数的个数； Ymb（qp）为 DCT 系数量化后零的游程长度和； Zmb（qp）为量 化后 AC 系数非零数的和。宏块头所耗比特数 HBmb（qp）的预测HBmb（qp）=m×MVn（qp）+n×MVDnz（qp）式中： MVn（qp）为运动向量的个数； MVDnz（qp）为运动 向量差值非零的个数。计算预测的宏块比特数 TBmb（qp）+HBmb（qp） 与宏 块分配的目标比特数 MBtbits 两者的差值Difbits=TBmb（qp）+HBmb（qp）-MBtbits并与阈值 THMAX 比较：若 abs（Difbits）>THMAX），DeltaQP=1， 否则 DeltaQP=0；若（Difbits>0），QP+=DeltaQP，否则 QP-= DeltaQP。可以通过调节阈值THMAX和系数 a，b，c 来实现在保证 精度的情况下，充分利用比特数提升图像质量。会大大提升，而且需要消耗大量比特数对 QP 编码。因此在保障控制准确的基础上，应尽量减少量化参数的变化，避免不必要的比特数浪费，提高图像质量。本文的码率控制算法除每个 GoP 中的第一个 P 帧 外，对所有其他帧间预测的帧进行控制。 如果对每个 GoP 的第一个 P 帧也采用相同的码率控制算法， 则由于 P 帧图像和 I 帧图像在编码特性上的差异，码率控制会有较大误差，因此沿用 JVT-G012 的方法，对于每个 GoP 中 I帧和第一个 P 帧采用预定义的量化参数进行编码，码率控制只对每个 GoP 的第二个 P 帧开始的所有帧间预测图像进行控制。 此外，在 GoP、帧级目标码率分配上，本文算 法使用的是 JVT-G012 的方案。本文算法主要包括以下几步：1） 根据带宽和输入序列格式确定一组系数（a，b，c）和阈值 THMAX；为宏块分配目标比特数；2）3） 采用 JVT-G012 的方法用预定义的量化参数对 I帧和第一个 P 帧进行编码；4） 从第二个 P 帧开始，第一个宏块的量化参数使用 前一帧的平均量化参数；5） 根据运动向量的差值确定当前宏块头的比特数；6） 根据亮度和色度量化后零的游程长度和、非零数 的数目及非零数的和来预测当前宏块残差值产生的比 特数；7） 根据 5），6）两步，预测当前宏块有可能产生的比 特数并与目标比特数进行比较， 确定当前宏块的量化参 数是否发生变化， 若变化则用新的量化参数重新进行模 式判决和量化，否则继续进行编码；8） 若当前宏块模式是帧内和跳过模式，量化参数与 前一宏块量化参数保持一致。实验结果和分析在 JVT 的校验模型 JM86 上实现了笔者提出的码率4控制策略，进 行 比 较 。并和 JVT 提案中的码率控制策略 JVT-G012实验使用标准的 CIF 测 试 序 列 ：news，bus，foreman，mobile，football 和 tempete。 实验条件按照实际应用要求确立，帧率为 25 f/s （ 帧/秒）， 给定第一个 I 帧的 QP为 28，其他测试条件如表 1。 实验结果如表 2 所示。由表 2 可见，本文的码率控制算法码率控制得很好，宏块级目标比特数的分配和当前宏块所耗比特数的预测现有的码控方案主要包括两个方面， 一个是根据带 宽分配目标比特数， 另一个就是建立一个量化参数与目 标比特数的模型， 然后根据这个模型计算出达到目标码3表 1测试条件resolutionoptimizationSearch Range参数MVHadamard RDSearch Range Restrict设置1/4 pelON OFF 322参数Reference SymbolFramesto-FramesMode GoP structure beencodedIntraPeriod设置1CAVLC IPPPP15015图 2 foreman 和 tempete 序列两种方法下的 每帧比特数波动曲线比较表 2两种算法码率控制效果对比PSNR值也很高。为了更清楚地表明这两种码率控制的效果， 图 1 给出两种方法下 foreman 和 tempete 各帧的 PSNR，本算法PSNR 变化比 JVT-G012 平缓，具有较高的主观视觉质量。 图 2 给出了两种方法下 foreman 和 tempete 各帧的比特数，本算法各帧所产生的比特数与目标比特数的匹配情况比 JVT-G012 更好，特数所需的量化级。更精确地计算出了达到目标比的信息来估计当前宏块有可能产生的比特数，估计准确性比较高。而且本算法只是利用已有的信息进行简单的线性运算来判断当前宏块量化参数是否发生变化， 然后在极少量化参数发生变化的宏块中用新的量化参数重新 确定系数，重新进行模式判决和量化，计算复杂度低，大 大加快了编码速度。 本算法是一种建立在简单率失真模 型基础上的宏块级算法。 该算法充分利用了宏块的实际 编码特性，在保证码率控制准确性和图像质量的前提下， 大幅提高了码率控制速度。参考文献：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. Circuits 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（下转第 34 页）2结语本文所述码率控制算法先用前一宏块的量化参数进53行模式判决和量化，然后使用量化之后的信息估计当前4宏块有可能产生的比特数，因为是利用当前宏块量化后测试 序列测试码率/（kbit·s-1）控制精度/（kbit·s-1）码率偏移/（kbit·s-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 512513.28 512.071.28 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，增加了编程的灵活性。示；3） 读取 Flash 存储器中的图像数据。笔者采用由 Cypress 公司生产的 EZ-USB设计结构简单，调试方便。FPGA 的外围硬件电2）FX2 系列路简单，可以减小硬件设计的复杂程度。FPGA 的时序芯片中的 CY7C68013 芯片，该芯片是针对 USB2.0 的，它支持 2 种传输速率：全速（full speed）12 Mbit/s，高速（high speed）480 Mbit/s。 实时数据传输要求 CY7C68013 芯片数 据传输速率高于 6 Mbyte/s，因此，将数据传输模式配置 为高速（high speed）480 Mbit/s 模式，保证数据传输的实 时性。 实时上传 CMOS 图像传感器捕获的图像数据与存 储器数据读取方式一样。 其速率通过实时传输实验验证 了图像的连贯性。逻辑调试可在软件上仿真实现， 因而大大降低硬件调试难度。3） 系统具有独立性，可以独立完成数字图像的采集 存储，不需要计算机的控制。通过对系统添加视频压缩模块， 可以实现更长4）时间视频信息的采集存储， 作为运动目标检测跟踪硬件系统在图像捕获模块中已经得到应用。参考文献：实验结果通过采集存储实验和实时显示实验，验证了该系统6马利刚 ，马铁华. 基于 FPGA 的实 时图 像采 集系 统设计J. 计量 与测试技术，2009（12）：51-56.Samsung Semiconductor. K9NBG08U5A datasheetEB/OL.2010-01-20.http：/www.alldatasheet.net/datasheet -pdf/pdf/170554/SAMSUNG/ K9NBG08U5A.html.钱峰. EZ_USB FX2 单片机原理、编程及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.谭树人，张茂军，徐伟. 多传感器同步图像采集系统的设计J.电视 技术，2006，30（9）：84-87.笕1的可行性和实时性。帧图片。图 3 是从实时显示实验中捕获的单234作者简介：刘攀（1984- ），硕士生，研究方向为微系统集成技术；王红亮（1978- ），讲师，硕士生，研究方向为动态测试技术、数字信号处理、目标识别；孟令军（1969- ），副教授，博士生，研究方向为集成测量系统及仪 器、微纳仪器及测试技术。责任编辑：任健男收稿日期：2010-03-20笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕（上接第 25 页）with succinct DCT-abundance modeling and consistence enhancementfor low-delay video codingR.JVCI-08-371.ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 and ITU-T SG16 Q.6，H.264/MPEG-4 AVC Reference Software ManualS. 2005.TSAI J C，HSIEH C H. Modified TMN8 rate control for low-delay videocommunication J. IEEE Trans. Circuits and Systems for VideoTechnology，2004，14（6）：864-868.CHIANG T ，ZHANG Y. A new rate control scheme using quadratic rate distortion modelJ. IEEE Trans. Circuits and Systems for VideoTechnology，1997，7（1）：246-250.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.笕856作者简介：程 飞（1984-），研究生，研究方向为视频编解码和嵌入式。责任编辑：哈宏疆收稿日期：2010-03-177