視頻編碼中碼率控制算法研究.pdf

1、隨著多媒體通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)視頻的應(yīng)用需求越來越廣泛，視頻信息正對(duì)人們的生活方式和社會(huì)發(fā)展起著越來越重要的作用。碼率控制技術(shù)是視頻通信系統(tǒng)應(yīng)用中必不可少的組成部分，在帶寬和存儲(chǔ)容量受限的情況下，通過調(diào)整編碼參數(shù)使編碼器獲得最佳的壓縮質(zhì)量。合理有效的碼率控制機(jī)制能夠在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)提高信道的利用率，對(duì)突破帶寬限制和降低存儲(chǔ)成本具有非常重要的意義。
　　作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的H.264/AVC，由于引入了許多先進(jìn)的編碼

2、技術(shù)，使的其相比以往視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在編碼效率、壓縮質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等方面均取得了顯著的提高。然而，H.264/AVC中引入率失真優(yōu)化來選擇模式，將量化參數(shù)同時(shí)用于碼率控制和率失真優(yōu)化，導(dǎo)致了“蛋雞悖論”問題的產(chǎn)生，也使得其碼率控制相對(duì)以往的視頻標(biāo)準(zhǔn)更為復(fù)雜。在給定的信道帶寬下，如何有效地控制虛擬緩沖區(qū)，提高壓縮后的視頻質(zhì)量，同時(shí)降低碼率控制算法的計(jì)算復(fù)雜度已成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　本文系統(tǒng)地介紹了視頻編碼中碼率控制的工作原理和

3、基本理論，在總結(jié)和分析H.264/AVC碼率控制算法提案以及相關(guān)改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上，深入地研究了碼率控制中GOP（Group of Pictures）層、幀層和宏塊層的算法。全文的主要?jiǎng)?chuàng)新和研究成果包括：
　?。?）場景切換在實(shí)際視頻中頻繁出現(xiàn)，對(duì)碼率控制造成消極影響。本文針對(duì)視頻序列中可能出現(xiàn)的場景切換問題，研究場景切換檢測及其處理方法，提出了一種自適應(yīng)變長的GOP層碼率控制算法。算法中當(dāng)前GOP的長度隨著場景切換的出現(xiàn)自適應(yīng)地改

4、變，使整個(gè)序列包含的I幀總數(shù)不變，避免了實(shí)際碼率的升高，并通過調(diào)整場景切換幀的量化參數(shù)來緩解緩沖區(qū)的壓力。仿真結(jié)果表明，該算法對(duì)于頻繁發(fā)生場景切換的序列具有較好的適應(yīng)性，在精確控制碼率的前提下，有效改善了新場景的視頻質(zhì)量。
　?。?）初始量化參數(shù)的選取對(duì)碼率控制的性能影響很大。選取合適的初始量化參數(shù)不僅能明顯地提高視頻的客觀質(zhì)量與碼率控制的精度，而且能降低圖像質(zhì)量的波動(dòng)，提高視頻的主觀質(zhì)量。本文針對(duì)碼率控制中初始量化參數(shù)的選取問題

5、，采用梯度作為復(fù)雜度的衡量方法，提出一種基于時(shí)空特性的初始量化參數(shù)計(jì)算方法，使計(jì)算得到的初始量化參數(shù)更加符合序列的真實(shí)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在準(zhǔn)確控制碼率的同時(shí)，具有更佳的率失真性能。
　?。?）本文針對(duì)碼率控制中I幀量化參數(shù)的計(jì)算方法在緩存控制、編碼質(zhì)量以及初始量化參數(shù)適應(yīng)性等方面存在的不足，提出了一種自適應(yīng)I幀量化參數(shù)的計(jì)算方法。該方法根據(jù) I幀的緩沖區(qū)占用率、當(dāng)前緩沖區(qū)占用率以及跳幀率等，自適應(yīng)地選擇I幀的量化參數(shù)。實(shí)驗(yàn)

6、結(jié)果表明，該方法在精確控制碼率、獲得更高PSNR（Peak Signal to Noise Ratio）值的同時(shí)大大減少跳幀數(shù)，有效提高了視頻的主觀質(zhì)量與客觀質(zhì)量，并且該方法對(duì)不同的初始量化參數(shù)與目標(biāo)比特率組合，都表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。
　?。?）本文針對(duì)宏塊層的碼率控制在時(shí)空相關(guān)性及紋理方向性上的考慮不足，提出了一種時(shí)空自適應(yīng)的宏塊層碼率控制算法，主要包括MAD（Mean Absolute Difference）預(yù)測模型、頭比特預(yù)