H.264/AVC碼率控制中初始量化參數設置的一種改進算法

韓 霜，林其偉，張偉龍，饒 琴，張志剛

(華僑大學 信息科學與工程學院,福建 泉州 362021)

快速增長的視頻通信需求刺激著視頻壓縮技術的發展。與已有的其他視頻壓縮標準相比，最新的H.264/AVC標準因采用多參考幀、運動補償等新的編碼技術，在編碼效率上提供了重要的改進。目前,碼率控制(RC)作為視頻編碼的重要組成部分也變得越來越完善，并且得到了學者們的高度關注。

為了在碼率和失真之間實現最好的折中性能,在H.264標準中提出了率失真優化(RDO）。然而，RDO使得H.264碼率控制更加復雜并且導致了蛋雞悖論[1],這就對H.264的碼率控制算法提出了新的挑戰，也是一個非常熱門的研究課題。

為了解決蛋雞悖論的問題，一些碼率控制算法已經開發出來[1-3]。LI等人提出了一次編碼碼率控制算法JVT-G012。鑒于其效率，它已在H.264/AVC的參考軟件中被采用。然而在此方案中仍然存在著一些不足之處：(1)不精確的初始QP估計：在JVT-G012中，初始 QP的估計僅僅取決于每像素的比特數(bpp)，然而，這種初始化方案沒有考慮幀的復雜度，不夠精確；(2)緩存控制能力不足：可以看到，緩存器有時會失控導致跳幀，尤其是在低比特率的情況下；(3)不精確的幀層比特控制：有時，一幀的目標比特和它實際產生的編碼比特偏差相當大。

所有這些不足都可能引起跳幀、平均PSNR值下降及不良的PSNR波動，特別是對于復雜的視頻序列和低目標比特率的情況。本文主要針對第一個不足進行改進。

1 對初始QP設置的改進

1.1 H.264中初始QP設置

在JVT-G012中，碼率控制開始時，第一個 GOP的第一個I幀的初始QP值是根據經驗預先設定的,在沒預先設定時采用如下方法計算：

由bpp的表達式不難看出，對于不同的視頻序列，在已設定的目標比特率、幀率及同一圖像格式的情況下，計算出來的bpp的值是一樣的，再通過式(1)計算就得到相同的初始QP值。即不同視頻序列的第一個I幀均采用相同的初始QP值編碼。但不同視頻序列的復雜度是不同的，其需求的目標比特數也不相同，若采用統一的初始QP值編碼，勢必會導致碼率控制不精確。

1.2 本文的改進算法

目前已有很多針對QP初始化設置的算法研究[4-7]，但為了減少算法及編碼的復雜度，本文采用基于bpp和I幀復雜度的算法來設置QP的初始值。參考文獻[6]提到采用梯度來衡量圖像復雜度的方法性能較好，因此本文采用基于梯度的方法來衡量I幀復雜度。梯度G的定義如下：

其中，W和H分別是一幀圖像的寬度和高度，Pi,j表示(i,j)處的像素值。

為了更好地看出每個視頻序列的第一個I幀復雜度與最佳初始 QP的關系， 選擇 foreman、football、news、mobile等視頻序列進行試驗。使用H.264/AVC的參考軟件JM8.6，測試序列為標準QCIF格式,目標碼率為64 kb/s,幀率為15 S/s，編碼50 S，采用IPPP編碼模式。實驗結果如圖1所示。

圖中QP=25的直線是在上述給定的實驗條件下通過式(1)計算出來的初始QP值，再次說明了JVT-G012中不同視頻采用相同初始QP值。從圖中不難看出，在一定的條件下,復雜度低的圖像初始QP值應較小，而復雜度高的圖像初始QP值應較大。同時也發現G與最佳初始QP的關系比較難擬合。因此根據參考文獻[7]定義F(G)函數如下：

對 QCIF和 CIF格式的圖像編碼時，e1、e2、e3的取值分別為{0.68,-7.21,12.29}和{-0.76,18.87,-91.42}。

本文算法是在式(1)計算出的qp的基礎上結合G對初始QP的影響，來確定最終的初始QP值，經大量數據統計，最終的算法如下：

2 后續GOP量化參數的選取

對于序列后續GOP的量化參數，由下式計算得到：

其中，SumPQP表示前一個GOP中所有P幀的量化參數的和，Np是前一個GOP中P幀的總數。

3 實驗結果

為了驗證本文改進算法的有效性,本文使用了H.264/AVC的參考軟件JM8.6并與其碼率控制算法進行比較。實驗條件：測試序列為標準QCIF格式，目標碼率為64 kb/s,幀率為 15幀/s，GOP長度為 25,編碼 100幀,采用IPPP編碼格式。結果如表1所示。

表1 不同序列測試結果

本文對JVT-G012算法中初始QP的設置進行改進，盡管表達式(4)不夠精確，計算出的初始QP值可能不是最佳值，但相對于式(1)僅利用bpp計算得出的初始QP卻比較合理。從表1可以看出本文算法可以選擇較優的初始QP值,使編碼效果在PSNR值及碼率控制準確度兩方面均優于原算法,尤其對于運動較劇烈的football、mobile序列效果明顯。而且從圖2和圖3中可以看到,本文算法得到的PSNR曲線的波動范圍更小。此外，與目前很多相關算法相比，本文算法簡單，相對于JVTG012算法，引入的編碼復雜度也較小。

[1]LI Z G,PAN F,et al.Adaptive basic unit layer rate control for JVT.JVT-G012,7th meeting,Thailand,2003.

[2]JING X,CHAU L P.A novel intra-rate estimation method for H.264 Rate Control.Proc.of IEEE International Symposium on Circuits and Systems,Greece,2006.

[3]ZHOU S,LI J J.Improvement on rate-distortion performance of H.264 rate control in low bit rate.IEEE Trans.on Circ.and Sys.for Video Tech.,2007,17.

[4]JING Xuan,CHAU L P,SIU W C.Frame complexitybased rate-quantization model for H.264/AVC intraframe rate control[J].IEEE Signal Processing Letters,2008,15.

[5]WANG Han Li,KWONG S.Rate-distortion optimization of rate control for H.264 with adaptive initial quantization parameter Determination[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2008,18(1).

[6]王海嬰,張新發.I幀QP設置算法及其在場景變換中的應用[J].北京郵電大學學報,2008,31(16).

[7]侯晨娟，何小海，曾強宇，等.優化的 H.264/AVC碼率控制算法[J].計算機工程與應用,2009,45(24).