引言：本文在H.264碼率控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于平均絕對(duì)差(MAD)比率的跳幀算法。該算法將圖像的MAD比率和緩沖器占用量作為跳幀判別標(biāo)準(zhǔn)，為運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像保留緩沖器空間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法一方面可以有效地降低緩沖器的占用量和節(jié)省編碼時(shí)間，從而在硬件方面表現(xiàn)為降低對(duì)緩沖器大小等方面的要求，達(dá)到降低成本的目的；另一方面，可以保證圖像序列連續(xù)性和提高圖像質(zhì)量。

大多數(shù)視頻壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的比特率都是可變的，為了能夠在恒定比特率的通信信道和網(wǎng)絡(luò)中傳輸，需要在碼率控制中引入一個(gè)緩沖區(qū)機(jī)制，先將壓縮后的碼流存入緩沖區(qū)，然后以恒定碼率輸出。因此，碼率控制的任務(wù)就是在保證緩沖器不產(chǎn)生上溢和下溢的前提下，通過調(diào)整一些編碼參數(shù)(如量化參數(shù))來使編碼比特率達(dá)到期望值。

跳幀策略是碼率控制算法中防止緩沖器上溢的手段。以往的跳幀算法往往確定某一個(gè)固定的限值(通常為80%)[1]，當(dāng)緩沖器的占用量到達(dá)這個(gè)限值時(shí)，不考慮下一幀的任何情況就把它跳過。這種跳幀算法的缺陷有兩點(diǎn)：當(dāng)緩沖器占用量達(dá)到80％時(shí)盲目地跳過下一幀，有可能錯(cuò)過運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像而導(dǎo)致譯碼后圖像序列質(zhì)量的下降；當(dāng)緩沖器占用量未達(dá)到80%，但卻很接近80%時(shí)，如果下一幀圖像運(yùn)動(dòng)比較劇烈的話，較多的編碼比特?cái)?shù)就會(huì)導(dǎo)致緩沖器發(fā)生嚴(yán)重的上溢。

本文提出了基于MAD比率的跳幀判斷準(zhǔn)則，將當(dāng)前緩沖器的占用量與每一幀圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度結(jié)合起來，對(duì)緩沖器的占用量設(shè)定幾個(gè)閾值，并且用MAD比率來對(duì)每幅圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度進(jìn)行標(biāo)識(shí)。對(duì)于某個(gè)MAD比率的圖像來說，當(dāng)緩沖器占用量達(dá)到跳幀判別準(zhǔn)則中規(guī)定的閾值時(shí)，即將該幀跳過。這樣就可以通過跳過一些運(yùn)動(dòng)平緩的圖像，而為運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像保留緩沖器空間，從而保證圖像序列的連續(xù)性，提高圖像質(zhì)量。

碼率控制算法

幀層的碼率控制算法

幀層的碼率控制分為兩個(gè)階段：第一階段為每一個(gè)P幀計(jì)算一個(gè)目標(biāo)比特?cái)?shù)，第二階段持續(xù)地更新率失真模型的各個(gè)參數(shù)并且進(jìn)行跳幀控制。

假設(shè)只有一組圖像(GOP)，并且圖像序列的編碼順序是第一幀為I幀，后面為連續(xù)的P幀。假設(shè)N表示組圖中所有幀的數(shù)目，nj表示組圖中的第j幀，Bc(nj)表示編碼第j幀圖像后緩沖器實(shí)際的占用量，A(nj)表示編碼第j幀時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，Bs表示緩沖器大小，Tbl(nj)表示第j幀被編碼后緩沖器的目標(biāo)值，Rr表示剩余比特?cái)?shù)，Nr表示組圖中剩余的幀數(shù)。因此，第j＋1幀圖像被編碼后緩沖器的實(shí)際占用量Bc(nj+1)可以表示為[2][3]：

假設(shè)第一個(gè)P幀的量化參數(shù)等于組圖的量化參數(shù)，所以有：

其它P幀被編碼后緩沖器的目標(biāo)值由下式給出：

因此，考慮緩沖器占用量而得到的目標(biāo)比特?cái)?shù)Tbuff可以表示為：

其中g(shù)ama是個(gè)常量，它的值通常為0.75。

考慮剩余比特?cái)?shù)而得到的目標(biāo)比特?cái)?shù)Tr可以表示為：

所以，最后的目標(biāo)比特?cái)?shù)T可以通過Tbuff和Tr的加權(quán)和得到：

試驗(yàn)中β＝0.5[2]。

宏塊層的碼率控制

在宏塊層，根據(jù)每一個(gè)宏塊的MAD來給每一個(gè)宏塊分配比特?cái)?shù)并且求出量化參數(shù)。宏塊層的碼率控制分為三個(gè)步驟：首先為每一個(gè)宏塊分配比特?cái)?shù)；其次根據(jù)目標(biāo)比特?cái)?shù)計(jì)算出量化參數(shù)；最后在對(duì)每一個(gè)宏塊編碼后，進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)。

a.比特?cái)?shù)的分配

假設(shè)Nm表示一幀中宏塊的個(gè)數(shù)，Ave_MAD表示一幀圖像中各個(gè)宏塊的MAD的平均值，MAD[i][j]表示第i幀中第j個(gè)宏塊的MAD。因此第i幀中第j個(gè)宏塊所分配的目標(biāo)比特?cái)?shù)b[i][j]可表示為：

b.計(jì)算各個(gè)宏塊的量化參數(shù)

率失真函數(shù)是許多碼率控制算法的核心，它將量化參數(shù)Q與編碼比特?cái)?shù)R聯(lián)系起來，其關(guān)系式為：

其中S表示宏塊的編碼復(fù)雜度，X1和X2是率失真模型參數(shù)。Q值較小時(shí)，分配較多的編碼比特?cái)?shù)；Q值較大時(shí)，則分配較少的編碼比特?cái)?shù)。

c.模型參數(shù)的預(yù)測(cè)

在對(duì)每一個(gè)幀進(jìn)行編碼后，都要根據(jù)前面n幀的編碼結(jié)果對(duì)模型參數(shù)(X1、X2)進(jìn)行更新。由上式可以得出：

最小均方誤差可以表示為：

該等式成立的條件是：(a)n>1，(b)所有的n個(gè)Q值不完全相同。

基于MAD比率的跳幀算法

在恒定比特率應(yīng)用中，編碼器和傳輸信道間的緩沖器起了十分重要的作用。編碼器應(yīng)該使緩沖器的占用量保持在50％左右。如果緩沖器發(fā)生上溢，則會(huì)損失一些數(shù)據(jù)。相反，如果緩沖器的占用量過低就會(huì)浪費(fèi)帶寬。當(dāng)緩沖器的值很高時(shí)，避免上溢的方法就是跳過一個(gè)完整的幀。

由以往的經(jīng)驗(yàn)可以知道，大多數(shù)的跳幀過程都是由于緩沖器上溢引起的。與緩沖器的目標(biāo)值即緩沖器大小的一半相比較，實(shí)際中緩沖器發(fā)生上溢的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生下溢的可能性。緩沖器的占用量低于緩沖器大小25％的情況是非常少見的。因此，有必要把緩沖器的占用量控制在50％左右，以保證緩沖器的占用量有足夠的上升空間。

下面詳細(xì)介紹一下基于MAD比率的跳幀算法：

假設(shè)圖像序列的編碼順序?yàn)榈谝粠瑸镮幀，后面是連續(xù)的P幀，ω1、ω2、ω3表示緩沖器占用百分比；ξ1、ξ2、ξ3表示圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度，它等于當(dāng)前幀圖像的MAD預(yù)測(cè)值與整個(gè)組圖中所有已編碼P幀圖像的平均MAD的比值(見下面的公式)。

基于MAD比率的跳幀算法的思想是盡量跳過運(yùn)動(dòng)平緩的幀而保存運(yùn)動(dòng)劇烈的幀。對(duì)于運(yùn)動(dòng)平緩的圖像而言，緩沖器的占用量不用達(dá)到80％，而只要達(dá)到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的限值時(shí)就將它跳過。運(yùn)動(dòng)越劇烈，對(duì)應(yīng)的限值就越高。運(yùn)動(dòng)的劇烈程度ξ(i)用下式表示：

其中，MADPi表示第i幀圖像的MAD預(yù)測(cè)值，MADAi表示第i幀圖像的MAD實(shí)際值。

當(dāng)ξ(i)小于ξ1時(shí)，只要緩沖器的占用量達(dá)到ω1，就將該幀跳過；當(dāng)ξ(i)小于ξ2時(shí)，只要緩沖器的占用量達(dá)到ω2，就將該幀跳過；當(dāng)ξ(i)小于ξ3時(shí)，只要緩沖器的占用量達(dá)到ω3，就將該幀跳過；當(dāng)緩沖器的占用量達(dá)到80％時(shí)，無論下一幀圖像運(yùn)動(dòng)劇烈與否，都將它跳過。

由于I幀和前面幾個(gè)P幀對(duì)于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓烙?jì)比較重要，跳過這些幀容易影響到后面的幀，因此，本文的跳幀算法從第三個(gè)P幀，即第四幀開始；而對(duì)前三幀的處理方法是：對(duì)I幀不采取跳幀，對(duì)第一和第二個(gè)P幀只有當(dāng)緩沖器的占用量達(dá)到80％時(shí)才跳過。

對(duì)于需要跳過的幀將不進(jìn)行編碼，而是用上一幀圖像來代替。

圖1為基于MAD比率的跳幀算法流程圖。其中Q表示量化參數(shù)；N表示幀編號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)根據(jù)第三部分基于MAD比率跳幀算法的思路，將該新型跳幀算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)跳幀算法的試驗(yàn)結(jié)果相比較。

實(shí)驗(yàn)采用JM9.6的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境是MicosoftVisualC++6.0。官方網(wǎng)站

http://iphome.hhi.de/suehring.tml中下載到JM的各個(gè)版本的程序。實(shí)驗(yàn)中所使用的計(jì)算機(jī)的CPU為Pentium41.5G；內(nèi)存大小為256M。

采用的圖像序列為Mobile和Tempete，二者均為CIF格式。圖像序列的編碼順序?yàn)镮PP...IPP...，每隔30個(gè)P幀有一個(gè)I幀。

下面從緩沖器占用量、編碼時(shí)間、運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間和SNR四個(gè)方面給出本文的跳幀算法與以往算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。


緩沖器占用量的比較

圖2和圖3表示對(duì)Tempete序列和Mobile序列每一幀進(jìn)行編碼后緩沖器中的比特?cái)?shù)。圖中，橫坐標(biāo)表示編碼幀數(shù)目，縱坐標(biāo)表示緩沖器占用量；實(shí)線表示的是使用原始的跳幀算法時(shí)緩沖器占用量的曲線圖，*線表示的是采用基于MAD比率的跳幀算法后緩沖器占用量的曲線圖。從圖2和圖3可以看出，在第0、30、60和90幀處，緩沖器占用量急劇

上升，這是由于在這四處均為I幀，編碼比特?cái)?shù)比較大，緩沖器的輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出。對(duì)于每個(gè)I幀后的P幀，由于編碼比特?cái)?shù)比較小，緩沖器的輸入小于輸出，所以緩沖器的占用量逐漸減少。圖2和圖3均表明：基于MAD比率的跳幀算法可以降低緩沖器的占用量、避免了緩沖器發(fā)生上溢。

編碼時(shí)間、運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間和SNR的比較

表1和表2給出對(duì)Tempete序列和Mobile序列編碼，傳統(tǒng)跳幀算法與基于MAD比率的跳幀算法在編碼時(shí)間、運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間和SNR三個(gè)方面性能的比較。

從表1和表2可以看出，基于MAD比率的跳幀算法可以較大幅度地縮短編碼時(shí)間和運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間。在Tempete序列中，編碼時(shí)間的改進(jìn)量高達(dá)12.73%。在Mobile序列中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)間的改進(jìn)量達(dá)到了8.58%。

此外，基于MAD比率的跳幀算法使得Y、U和V三個(gè)分量的SNR值均有所提高。由于在解碼過程中是用前面一個(gè)已經(jīng)編碼的幀來代替跳過的幀，所以對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)比較劇烈的幀而言，若按照傳統(tǒng)跳幀算法將其跳過的話，將會(huì)影響到解碼端圖像恢復(fù)的連續(xù)性，從而造成圖像質(zhì)量的下降。而本文提出的跳幀算法其實(shí)質(zhì)就是通過放棄運(yùn)動(dòng)平緩的幀，為運(yùn)動(dòng)劇烈的幀保留緩存空間。從而提高了整個(gè)圖像序列的SNR值。

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