H.264碼率控制算法研究

馮振

摘要：H.264作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，因其具有優(yōu)異的壓縮性能和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性成為時(shí)下最重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是視頻通信系統(tǒng)應(yīng)用中必不可少的組成部分。本文研究了H.264/AVC的GOP層、幀層和基本單元層碼率控制算法，并介紹了H.264算法的一些改進(jìn)模型。

關(guān)鍵詞：碼率控制；碼率分配；編碼模式中圖分類號：G633.34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1672-1578（2016）08-0393-011.引言

H.264/AVC是新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它充分考慮了編碼效率和網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用了整型DCT變換、先進(jìn)的幀內(nèi)預(yù)測、基于上下文的自適應(yīng)算術(shù)編碼、1/4象素精度的運(yùn)動估計(jì)、7種不同尺寸的塊匹配模式等先進(jìn)技術(shù)，使H.264具有很高的編碼效率，特別適合于帶寬受限或存儲容量受限的視頻應(yīng)用系統(tǒng)。碼率控制的目的是使碼率滿足信道和存儲媒體要求，并盡可能地提高視頻質(zhì)量。

一般在視頻標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生后，碼率控制都會得到廣泛的研究，如針對MPEG-2、MPEG-4、H.263等標(biāo)準(zhǔn)分別提出的TM5、VM8、TMN8碼率控制算法。然而，這些算法都不能直接應(yīng)用于H.264標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)镠.264標(biāo)準(zhǔn)在碼率控制算法以及率失真優(yōu)化（Rate Control Optimization，RDO）中都使用了量化參數(shù)，這就導(dǎo)致了在進(jìn)行碼率控制時(shí)出現(xiàn)了蛋雞悖論：對當(dāng)前幀的宏塊進(jìn)行率失真優(yōu)化時(shí)，需要先通過當(dāng)前幀或當(dāng)前宏塊的平均絕對差（Mean Absolute Difference，MAD）決定每個(gè)宏塊的量化參數(shù)，而當(dāng)前幀或宏塊的MAD僅在率失真優(yōu)化后才能得到。H.264的提案JVT-G012提出用流量往返模型來給每個(gè)基本單元分配目標(biāo)比特?cái)?shù)，并在宏塊層編碼采用二次率失真函數(shù)計(jì)算量化參數(shù)的算法，用此量化參數(shù)來進(jìn)行模式選擇和編碼。

2.H.264碼率控制算法

JVT-G012采用了TM5的比特分配方案和VM8可擴(kuò)展的碼率控制思想，由圖像組（GOP）層、幀層、基本單元層3部分組成，采用適合于低比特率視頻應(yīng)用的流量控制模型，首先計(jì)算出目標(biāo)比特?cái)?shù)，進(jìn)而調(diào)整量化參數(shù)。

2.1GOP層碼率控制：

首先分配當(dāng)前GOP 的目標(biāo)比特：

式中 Bc（ni，j）代表編碼第i個(gè)GOP第j幀后的虛擬緩存器占有情況，Ngop代表GOP幀數(shù)，ni，j （i =1，2....， j= 1，2，...，Ngop）表示第i個(gè)GOP的第j幀，A（ni，j）是編碼第i個(gè)GOP的第j幀產(chǎn)生的比特?cái)?shù)， 是幀率，ni，j表示第i個(gè)GOP的第j幀時(shí)的信道帶寬。

設(shè)第i個(gè)GOP開始時(shí)分配的比特?cái)?shù)為：

考慮到帶寬的波動， 在每一幀圖像編碼后，GOP中剩余幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)由下式更新：

然后確定I幀和第1個(gè)P幀的QP（可以憑經(jīng)驗(yàn)給定，也可根據(jù)每個(gè)像素需要的比特?cái)?shù)計(jì)算） 。最后就是不斷循環(huán)幀層的碼率控制，直到這個(gè)GOP 結(jié)束。

2.2幀層碼率控制。幀層的比特?cái)?shù)分配是根據(jù)GOP 的結(jié)構(gòu)和幀類型來進(jìn)行的。一般來說，I幀分配最多的比特?cái)?shù)，P幀分配次多的比特?cái)?shù)，B幀分配較少的比特?cái)?shù)。使用線性跟蹤理論，分配給第i個(gè)GOP的第j幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)f（ni，j）是由目標(biāo)緩沖區(qū)滿溢程度、幀率、可用信道帶寬和實(shí)際緩沖區(qū)占用程度定義的。得到當(dāng)前P幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)后，利用二次率失真模型和MAD線性預(yù)測模型計(jì)算出的，為了獲取連續(xù)幀之間的平滑視覺效果還需要對進(jìn)行校正，量化參數(shù)用于計(jì)算當(dāng)前幀中每個(gè)宏塊的RDO，通過下式得到編碼模式

該階段主要完成三個(gè)任務(wù)：更新MAD線性預(yù)測模型中的a1和a2，二次R-D模型參數(shù)和確定是否有需要跳幀。編完一幀后，更新MAD線性預(yù)測模型中的a1和a2和二次R-D模型參數(shù)。在編碼完一幀后，實(shí)際生成的比特?cái)?shù)a（ni，j）加入到當(dāng)前Buffer。

2.3基本單元層碼率控制

這是 H.264/AVC中特有的步驟，只有當(dāng)基本單元不是幀時(shí)，才會有這一步驟。

基本單元層碼率控制采用是是率失真模型，根據(jù)幀層碼率控制確定的該幀圖像的輸出比特?cái)?shù)，給圖像各部分選擇合適的量化參數(shù)。

與幀層碼率控制類似，先給基本單元分配編碼比特?cái)?shù)，由于未編碼的基本單元的MAD未知，所以平均分配剩余比特給未編碼基本單元。基本單元層的碼率控制要選擇一幀中的所有基本單元的量化參數(shù)值，使產(chǎn)生的編碼比特?cái)?shù)接近幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)f（ni，j），算法描述如下：首先確定當(dāng)前基本單元的紋理比特?cái)?shù)，通過線性模型，利用先前幀相同位置基本單元的MAD預(yù)測當(dāng)前基本單元的MAD；然后通過二次R-D模型計(jì)算當(dāng)前基本單元的量化參數(shù)，并對當(dāng)前基本單元的所有宏塊進(jìn)行率失真優(yōu)化；最后更新當(dāng)前幀的可用比特?cái)?shù)和當(dāng)前幀未編碼的基本單元數(shù)；編碼完當(dāng)前幀，更新參數(shù)，該參數(shù)為前一幀的所有基本單元的量化參數(shù)的平均值。

3.結(jié)束語

隨著H.264的不斷改進(jìn)和推廣，其碼率控制的算法也在不斷改進(jìn)更新。主要包括考慮編碼器端的編碼參數(shù)（如量化參數(shù)、編碼模式或直接影響比特流的參數(shù)等）的率失真控制模型，結(jié)合信源信道失真和緩沖狀態(tài)的碼率控制模型，考慮解碼端反饋信息的控制模型等。H.264采用了多種改進(jìn)編碼效率的技術(shù)，針對不同的應(yīng)用可以選擇不同的技術(shù)，其碼率控制模型的建立也應(yīng)該結(jié)合實(shí)際應(yīng)用做出調(diào)整，而不是一定要建立一個(gè)適應(yīng)各種場合的控制模型。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓崢，唐昆，崔慧娟.基于H.264的碼率控制算法[J].