1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 视频编码中的码率控制方法综述 摘要： 码率控制是图像编码技术中的一个重要组成部分，它对编码的图像质量有很大的影响。本文在介绍码率控制基本概念的基础上，重点介绍了当前国内外码率控制技术的研究现状和关键算法，主要包括 MPEG 标准中的码率控制方法， H.264 标准 1中的码率控制算法以及基于模糊控制的 H.264宏块层码率控制、基于 H.264/VAC 的宏块级码率控制优化算法等最新码率控制新技术。其中因 H.264标准中的码率控制算法的能够得到更好的码率控制效果，便于接收端获得更加稳定的 压缩视频流而被广泛的运用。本文通过对各种改进方法的论述，以此基础分
2、析码率控制 技术的不足之处和发展趋势。从而为以后提出更加有效的、高质量的处理和传输视频信息和多媒体的信息码率控制算法奠定基础。 关键字： 码率控制； H.264；编码 1.引言 随着通信技术、计算机技术和网络技术的不断发展，人们的生活和工作方式随之也发生了巨大的变化。在传统的通信领域，人们习惯语音和数据传输等单一的媒体业务，如电话、电报、传真等。如今传统的通信方式已经无法满足人们的需求。人们开始对通信领域的多样化需求越来越多，也越来越希望无论在何 时何地，都可以方便、快捷、灵活地通过语音、数据、 图像和视频等多种方式进行通信。 在视频编码中，码率控制模块根据网络 /信道环境调节视频编码器端的输
3、出码率，并尽可能地提高视频质量。码率控制和率失真优化的一个主要目的是为视频编码分析和建立率失真模型，在给定的约束条件下，提供高质量的压缩视频。 2 MPEG 标准中的码率控制方法 经典的码率控制算法或模型主要有 :H.261 的 RM8(Reference Model 8)， MPEG-2 的 TM5(test Model 5)， H.263 的 TMN8(test Model Near-term8)， MPEG-4 的 VM8(verification Model8)。而在这些中， MPEG 标准的码率控制方法是最常用的。 MPEG 一 22 没有具体规定如何实现码率控制，但是在它的测试模型
4、 TM5 中提出并集成了码率控制算法。在 TM5 中，码率控制可以分为 3 个步骤 :目标比特数分配、码率控制和自适应量化。但是，TM5 算法存在着 3 个方面的问题：一是码率控制算法没有考虑处理场景切换带来的问题；二是同一帧中宏块与宏块之间编码质量不均匀；三是算法 中 参考 量化步长 比 实际量化步长差距大。同时，在2 低运动视频序列编码中，由于相邻帧之间有着较高的相关性， R 一 D 关系 3 可用来预测待编码帧的特性。 VM8 采用了这一思想，它的 R-D 分析建立在两个假设基础上：相邻的视频帧高度 相似 ，并有同样的码率 -失真曲线。值得指出的是，场景切换和变化是视频序列中经常出现的现
5、象，这时将不再满足第一个假设条件，往往会导致算法性能的下降。 3. H.264 码率控制算法 多媒体通信系统中，压缩的视频码流需要在带宽不一致且变化的网络上传输 。视频编码器的大速率输出会导致不可想象的网络拥塞；另一方面，视频编码器输出比特率无控制的减少，会导致不必要的质量下降及对现存网络资源的低效利用。为了充分利用网络资源，并保证用户获得最优的视频质量，视频通信系统中需要引入码率控制技术来获取在质量和带宽利用上的最佳均衡。 H.264 提案 JVT-G012 提出用流量往返模型来分配每个基本单元目标比特数，并在宏块层编码采用二次率失真函数计算量化参数，用此量化参数来进行模式选择和编码。尽管这
6、种算法可以达到目标码率而且图像也没有明显波动，但是对一个宏块两次的 RDO计算的时间 复杂度是难以接受的。而 X264作为 H.264的一种实用实现模型广受好评。 X264 是网上自由组织联合开发的兼容 H.264 标准码流的编码器。它注重实用，在不明显降低编码性能的前提下，努力降低编码的计算复杂度，故 X264 摈弃了 264 中一些对编码性能贡献微小但计算复杂度极高的新特性，如多参考帧、帧间预测中不必要的块模式、 CABAC等。 H.264/AVC 4 的参考模型 JM 中采用了 JVT-G012 和 JVT-H017 的码率控制算法。该码率控制算法存在一些不足之处 。首先，从 JVT-H
7、017 算法在帧层的目标比特数分配策略上来看，在应用于视频会议等对延时比较敏感的环境时，一般不采用 B 帧而只采用 IPPP 的帧结构。此时，帧层的目标比特数分配只考虑了缓冲器充盈度，而没有考虑图像复杂度的影响， GOP 层剩余可分配的比特数只是做了简单的平均分配。其次，在基本单元层通过对所有未编码的基本单元的 MAD 值进行预测，来分配每个基本单元的目标比特数。通过大量的预测信息进行比特分配，不但准确度低而且计算量大。为了合理地分配比特数，应该为复杂度高的图像多分配比特数，而给复杂度低的图像少分配比特数 。 4、其他码率控制算法 在视频编码不断改进的现在，针对已有的一些经典码率控制算法，很多
8、研究也提出了一些更高效的控制算法，如基于模糊控制的 H.264 宏块层码率控制算法、基于 H.264/VAC 的宏块级码率控制优化算法、基于 FBRM 的自适应码率控制算法等等。 4.1 基于模糊控制的 H.264 宏块层码率控制算法 针对 H 264 码率控制模型的不足 , 周芦明提出了一种新的宏块层的码率控制算法 5 。该算法首先利用帧的时空间相关性对宏块的 MAD 值进行预测 ,然后引入了智能控制中的模糊控制方法来对3 码率输出进行控制 ,使得码率控制不再依赖于以往的各种统计模型。由于省去模型参数的更新 ,算法的计算复杂度有一定程度的降低。 宏块层码率控制算法主要是：（ 1）进行 MAD
9、 值预测；（ 2）计算当前宏块的目标比特数（ 3） 计算出 MADratio,Tratio；（ 4）得出 QP 的模糊推理结果 ,并将其解模糊化 ；模糊控制系统的流程可参照图一（ 5）计算 QP；（ 6）计算当前宏块的量化参数；（ 7） 对当前宏块进行编码 ,检查当前帧的 宏块是否已编码完毕 ,已编完 ,进入第 1 步 ,否则 ,进 入第 2 步。 图一：模糊控制系统框图 实验结果表明，与 JM8 6 原算法 6 比较 ,该算法能在提高码率控制精度的同时 ,提高图像的恢复质量。 4.2 基于 H.264/VAC 的宏块级码率控制优化算法 为了在网络 带宽和延迟的限制条件下获得持续稳定的视频编码
10、质量 ,2009 年，龙昭华 , ,提出一种优化的宏块级码率控制算法。这种算法基于平均绝对误差线性预测模型 7 和二元率失真模型 ,充分利用视频序列的时空相关性 ,有效降低了 MAD 预测复杂度和目标位率与实际位率的误匹配率。大量实验结果表明 ,与 JM8. 6 中的码率控制算法相比 , 基于 H.264/VAC 的宏块级码率控制优化算法大大降低了编码时间 ,能够实现位优化分配和输出码率的精确控制。 宏块级码率控制优化算法先对 H. 264 中基本单元层码率控制算法进行深入分析 ,针对 MAD 线性预测方式计算复杂度高 ,且没有考虑当前基本单元间的空间相关性的缺陷 , 程宏 提出一种新的 MA
11、D值加权预测模型。另外 ,针对基本单元内各宏块之间使用统一的 QP 值 8 编码 ,而没有考虑到各宏块间内容复杂度的不足 , 蒋贵全 提出一种对基本单元内各编码宏块 QP 值自适应动态调整的策略。 4.3 . 基于 H.264/VAC 的宏块级码率控制优化算法 针对 EBCOT 中 MQ 占用大量编码时间和资源龙昭华提出了一种基于码率反馈 MQ 自适应率控制算法 9 。根据小波子带特性 10 自适应地选择 Coding Pass 进入 MQ 算术编码器 ,先进入码流的 Coding Pass反馈控制未进入 MQ 的 CodingPass,查找截断点 ,舍弃对最终码流无贡献的 Coding Pa
12、ss的码段。从而提升了整个 EBCOT 编码效率 11 。算法几乎对整个图像压缩质量无影响 ,同时还大幅度地提高了整个 EBCOT 的编码效率。试验结 果表明 , 基于 FBRM 的自适应码率控制算法有效地减少了 EBCOT 中QPTettarg模糊控制器 QP 编码当前块 Buffer 预处理 TratioMADratio4 MQ 的计算量和存储量 ,易于硬件实现。 5、总结和展望 本文主要介绍了视频编码中的一些码率计算。针对往前的 MPEG 方面的码率计算方法，后来提出的最为典型的几类算法包括： H.264 的码率控制算法改进算法、基于模糊控制的 H.264 宏块层码率控制算法、新的 H.
13、264/AVC 码率控制改进算法等。有研究者提出了有别于基于传统码率控制算法的新型算法，有基于 FBRM 的自适应码率控制算法，有基于 FFT 的星载 SAR 复数图像压缩及码率控制算法，有关于通用率失真模型 及码率控制算法 12 等。而近几年来说，嵌入式图像编码的码率计算也得到得到了很广泛的关注。这个领域范围的研究也一直在继续，无论是那种方法，其目的都是高效的获得高质的视频图像。 参考文献 1 何凌 , 叶梧等 . 基于 H. 264 的码率控制算法研究与改进 J. 电视技术 , 2004, 11: 20 23. 2 钟玉琢 , 王琪 , 赵黎等 . MPEG-2 运动图像压缩编码国际标准及
14、 MPEG 的新进展 M. 北京 : 清华大学出版社 . 2002. 3 唐田野 , 刘 钊 . 一种获得均匀图像质量的视频码率控制方法 J. 计算机应用 . 2005, 25(11): 2592 2594. 4 马思伟 , 高文等 . 一种面向 H. 264/AVC 的码率控制算法 J. 电子学报 , 2004, 32(12): 2024 2027. 5 KamaciN, Altunbasak Y, Mersereau R M. Frame bit allocation for the H.264/AVC video coder via cauchy-density-based rate a
15、nddistortionmodelsJ. IEEE Transactions on Circuits and Systems for VideoTechnology, 2005, 15(8): 9941006. 6 袁武 , 林守勋 , 牛振东等 . H. 264/AV码率控制优化算法 J. 计算机学报 . 2008, 31(2): 329 339. 7 尚书林 , 杜清秀 , 卢汉清 等 . 一种低复杂度 H. 264宏块级 码率控制算法 J.计算机学报 , 2006, 29 (2): 914 919. 8 夏定元 , 卢姗 , 吴通 等 . 一种基本单元层码率控制的改进 算法 J. 中国图
16、像图形学报 , 2008, 13 (10): 2011 2014. 9 ChangTH,Lian CJ, Chen H H, eta. l EffectiveHard ware-oriented Technique for the Rate Control of JPEG2000 Encoding C. Proc of IEEE Conf on Image 5 Processing.Barcelona, Spain. IEEE, 2003, 2: 684 687. 10 周树民 , 李锦涛 , 黄晁 . 基于运动场无序度的快速块模 式选择算法 J. 计算机辅助设计与图形学学报 , 2005, 17(3): 553 557. 11 毕厚杰 . 新一代视频压缩编码标准 M. 北京 : 人民邮 电出版社 , 2008. 12 李志成 , 刘涛 , 张永军 , 等 . Efficient rate control schemefor low bit rate H. 264/AVC video codingJ. 中国邮电 高校学报 (英文版 ), 2009, 16(2): 103107.
