一種面向低目標比特率的H.264碼率控制算法

馬力群，沈海虹，張其善，張益強

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100083;2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094;3.中國地質大學 地球物理與信息技術學院，北京 100083;4.空軍駐洛陽軍事代表室，河南 洛陽 471000)

H.264是由ITU和ISO聯合開發并公布的最新的國際視頻壓縮標準，與以往編碼標準明顯不同的是H.264采用了基于Lagrange優化算法的編碼控制模型，其編碼性能相比以往的所有編碼標準有了重大提高［1］.H.264碼率控制算法比經典碼率控制算法要復雜，除了考慮緩沖區的充盈度和圖像復雜度外，還要考慮率－失真模型，并且運動估計中的運動矢量選擇及分塊模式的選擇都要執行率－失真優化(rate distortion optimization，RDO).目前的碼率控制主要是對幀層、宏塊層的比特數分配進行細致的處理［2-5］，而且H.264已經接納的幾個碼率控制技術提案如JVT-G012、JVT-H014、JVT-I049、JVT-O016以及相關研究等都采用了平均絕對誤差(mean absolute difference，MAD)線性預測模型與二次R-Q模型［6-9］.其中，JVT-G012是一種經典的H.264碼率控制算法提案.本文通過推導分析得知，在JVT-G012提案中，對Baseline profile下的GOP(group of picture)中剩余未編碼P幀分配目標比特采用了平均分配比特的方式，而實際上P編碼的主要內容是當前幀與其預測幀之間的差值并經過變換量化和熵編碼后的比特數.由于不同P幀壓縮出來的比特率是不同的，因而其預分配的比特也應該是不同的.對于低目標碼率下的碼率控制而言，這極易導致后續編碼幀的比特分配不能快速響應幀間變化，進而導致碼率控制與目標比特偏差大，圖像質量降低.針對上述問題，本文提出了一種基于碼率緩沖回饋的碼率控制算法.該算法能快速對低目標比特率下的碼率調整做出響應，減少了原碼率控制算法因調整當前幀碼率而對后續編碼幀比特分配的影響.

1 H.264/JVT-G012提案分析

H.264當前幀的目標比特f(ni，j)由基于緩沖占有量計算的比特~f(ni，j)和基于剩余未編碼幀計算的比特加權計算，即

其中:

編完GOP中第1個P幀后，復位目標緩存級為TBL(ni，2)=Bc(ni，2)，而Bc(ni，2)是編完GOP中第1個P幀后的實際緩存占有.隨后各P幀的目標緩存級(target buffer level，TBL)由下式確定:

式中:Sp和Sb是編碼相應幀產生的比特數，Qp和Qb是相應的量化參數.因此

1)基于剩余未編碼幀的目標比特率計算

2)基于緩沖占有量計算的比特

對于Baseline下IP，…，P結構的序列，式(6)轉換為

P幀分配的目標比特為

可以看出，未編碼P幀分配的目標比特是采用均勻分配剩余目標比特.在低目標比特率下，如果相鄰幀之間差異大，后續幀目標比特率分配也應該有差異，否則，依據下面的二次R-Q模型:

式中:MAD為平均絕對誤差，Rreal=R－Rheader，為編碼碼流中除去編碼后信息之外的數據長度.執行碼率控制操作即根據分配的比特數計算編碼操作的量化值Q.因此，均分比特意味著編碼過程中相同的量化值，而不同內容、不同運動復雜度的幀、編碼基本單元或MB采用相同的Q量化操作必然導致壓縮后實際比特與目標比特偏差較多，而這在面向低目標碼率下的RC表現更顯著，本文試驗部分的分析數據也直接證明了這一點.

2 面向低目標比特率的碼率控制算法

基于JVT-G012提案算法的分析，在進行目標比特分配時應考慮實際編碼幀的差別以減小實際編碼比特率與目標比特率的偏差.文獻［10］提出了一種基于單幀圖像質量加權的視頻質量評價模型，其中加權因子描述了視頻序列內運動及場景變化的劇烈程度.平均絕對誤差MAD描述了視頻內前后幀在時間上的距離，記作me.定義參數k對視頻運動信息進行描述，有

令Vei=mei－mei－1，利用上述定義的參數對未編碼P幀的目標比特分配進行調節:

Tth為試驗門限數據，用以表征運動活躍性是否已經顯著.在JVT-G012中，編碼當前幀后，當前緩沖占有根據下式計算:

式中:nbits0是理想情況下編碼一幀所用的比特，即

而在低目標比特率下，為了更有效和快速的抑制比特率波動，在進行比特率回饋時給出了一種強化的回饋方式，即根據實際編碼幀所占比特和理想編碼幀所占比特的差異進行緩沖回饋比特的調整，通過回饋比特能夠快速反映出當前已經發生了顯著的幀間變化，后續幀目標比特分配也自動據此做出相應的調整，進而保證最終編碼碼率與目標比特率相近.具體如下:

3 實驗數據及分析

利用常見的視頻序列采用JVT-G012提案方法，采用H.264參考代碼JM8.6中的碼率控制方法，將本文的方法與JVT-G012算法在低目標碼率下的碼率控制結果進行了比較，如表1～4.實驗采用多視頻序列、多目標碼率進行測試，所有序列按IPP，..PP編碼，I幀間隔為30幀.基于低目標比特率及甚低目標比特率要求，實驗采用QCIF序列在24 kb/s(甚低比特率)，32 kb/s，64 kb/s和96 kb/s下進行測試.試驗結果證明了本文所提出的算法能夠有效減少實際編碼比特率與目標比特率的偏差并取得了不錯的PSNR，也進一步說明該算法在面向低目標比特率及甚低目標比特率編碼時能在保持圖像質量的同時有效抑制碼率波動的偏差.為了全面綜合比較本文算法與JVT-G012提案，對較高比特率下的碼率控制結果也進行了比較.

表1 24 kb/s QCIF測試序列碼率控制輸出結果Table 1 The results of bit rate control with 24 kb/s QCIF sequences

表2 32 kb/s QCIF測試序列碼率控制輸出結果Table 2 The results of bit rate control with 32 kb/s QCIF sequences

表3 64 kb/s QCIF測試序列碼率控制輸出結果Table 3 The results of bit rate control with 64 kb/s QCIF sequences

表4 96 kb/s QCIF測試序列碼率控制輸出結果Table 4 The results of bit rate control with 96 kb/s QCIF sequences

從實驗結果可以看出，本文算法在低目標比特率下Y分量的PSNR明顯高于原RC算法(雖然本文在色差分量即UV上PSNR降低，但就影響人眼視覺因素而言，Y分量比UV更重要，而且節約比特約10%).在較高目標比特率時，本文算法與JVTG012算法相比取得了相近的結果，但在低目標比特率下，在PSNR比較接近的情況下，本文算法的比特率略有降低，降低約2%.因此，相比JVT-G012算法而言，本文提供的算法能有效的支持低目標比特率下碼率控制，取得理想的碼率控制結果和圖像質量.另外，本文碼率控制部分涉及的MAD信息不需要額外計算，只需要在編碼過程中進行運動估計時保留SAD信息即可，MAD可由SAD計算，因此，本文提出的碼率控制算法幾乎沒有增加算法復雜度.

4 結束語

本文提出了一種面向低目標碼率的碼率控制算法，一方面將視頻序列運動及場景變化劇烈程度描述因子引入碼率控制過程中的幀比特分配，另一方面采用了強化緩沖回饋方式，有效地對低目標比特率下的碼率調整做出響應，減少了原碼率控制算法因調整當前幀碼率而對后續編碼幀比特分配的影響.該算法可廣泛適用于低目標碼率下的視頻碼率控制，并作為JVT-G012碼率控制算法在低碼率下的替代算法.本文提出的算法主要是針對低目標碼率及甚低目標碼率要求，比特分配調整主要在幀層，而宏塊層的比特調整將會進一步提高碼率控制的精度，這也將是后續研究的內容.另外，在其他格式視頻及目標碼率下算法的測試和驗證也是進一步研究的內容.

致謝

感謝北京航空航天大學佟雨兵博士與本文作者就有關問題的有益探討.

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［10］CHANG Qing，TONG Yubing.Video quality assessing model based on single image quality with different weights［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33(3):311-314.