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1、http://www.paper.edu.cn1一種低碼率下的新型宏塊級碼率控制算法周全劉文予崔春暉（華中科技大學(xué)電子與信息工程系武漢430074）（Email：quan_z1980@163.com）摘要：針對H.264編碼方案提出了一種實(shí)時的無需二次編碼的低碼率宏塊級碼率控制策略。為克服H.264碼率控制模型的缺陷，首先提出了平均象素信息比特(APIB)的概念及其碼率控制模型；然后在宏塊層根據(jù)各個宏塊不同的編碼復(fù)雜度進(jìn)行準(zhǔn)確的碼字分配；接著通過APIB的變化自適應(yīng)更新碼率控制模型的系數(shù)；最后提出完整的基于宏塊的碼率控制算法，并將其在JVT的JM85平臺上實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與
2、JVT提案中的碼率控制算法JVT-G012相比，本算法在控制精度上平均提高0.171kbps，平均PSNR值提高0.227dB，同時較好的控制了輸出碼率和PSNR的波動。關(guān)鍵字：碼率控制，H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，平均象素信息比特1、引言為了在給定碼率下高效地傳輸編碼數(shù)據(jù)，并保證良好和穩(wěn)定的接收端質(zhì)量，碼率控制成為視頻編碼的重要內(nèi)容之一，現(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都對其進(jìn)行了廣泛的研究。H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)將量化參數(shù)同時用于碼率控制和率失真優(yōu)化，這導(dǎo)致了“蛋雞”悖論:為了進(jìn)行宏塊的編碼，必須先給出該宏塊的量化等級，而量化等級要根據(jù)編碼之后的幀內(nèi)預(yù)測或幀間運(yùn)動估計[1-3]殘差（MAD）來決
3、定。因此，以往各種經(jīng)典的碼率控制方法在H.264中并不適用。由于MAD不能在量化前得到，LiZhengguo提出了JVT-G012碼率控制算法，通過對當(dāng)前宏塊的MAD進(jìn)行線性預(yù)測來解決這個問題，然后使用MPEG-4中的二次碼率預(yù)測模型（R-D預(yù)測[4]模型）來計算量化等級。但是，該算法并沒有突破“蛋雞”悖論的瓶頸，而且預(yù)測出的MAD并不能完全準(zhǔn)確的反映當(dāng)前宏塊的編碼復(fù)雜度，以此得到的量化等級也不一定準(zhǔn)確，這可能導(dǎo)致實(shí)際編碼碼字與目標(biāo)碼字不匹配。為了得到更好的目標(biāo)碼率和量化步長的關(guān)系式，Lei[5]Shawmin等人從DCT變換的角度來考慮碼率控制。HeZhihai等人做了進(jìn)一步
4、的研究，通過[6-7]DCT變換量化后零值在變換系數(shù)中的比例來確定量化參數(shù)。由此可知，DCT系數(shù)的變化情況與量化參數(shù)存在一定的關(guān)系。因此，本文在DCT系數(shù)的基礎(chǔ)上提出平均象素信息比特（APIB，AveragePixelInformationBit）的概念，在MPEG-4中的R-D預(yù)測模型中用APIB代替MAD。使用了APIB后，從根本上擺脫了“蛋雞”悖論的束縛。APIB既能在量化前得到，又能比較準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前宏塊的編碼復(fù)雜度，以此確定的量化等級更加準(zhǔn)確。整篇文章組織如下：第二部分介紹APIB的概念及其R-D預(yù)測模型；第三部分介紹基于該模型的宏塊級碼率控制算法；第四部分通過試驗(yàn)
5、數(shù)據(jù)比較了該算法和JVT-G012在JM85平臺下的性能；第五部分總結(jié)全文。1本項(xiàng)目得到教育部博士點(diǎn)基金資助課題（No:20040487009）的資助。作者簡介：周全，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信及信息處理、視頻編碼技術(shù)；劉文予，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體信息處理、網(wǎng)絡(luò)安全；崔春暉，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信及信息處理、視頻編碼技術(shù)。-1-http://www.paper.edu.cn2、平均象素信息比特及其碼率預(yù)測模型2.1平均象素信息比特為了克服JVT-G012算法中“蛋雞”悖論的缺陷，本節(jié)首先提出APIB的概念。由于
6、DCT系數(shù)是原始圖像與參考圖像經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償后的殘差信息通過離散余旋變換得到的。因此，DCT系數(shù)的大小就直接反映出圖像的運(yùn)動劇烈情況和內(nèi)容的復(fù)雜程度。較大的DCT系數(shù)說明原始圖像與參考圖像間存在較大的殘差冗余信息，這一般意味著圖像運(yùn)動劇烈或者內(nèi)容變化較大；反之，較小的DCT系數(shù)則說明原始圖像與參考圖像間只有較小的殘差冗余信息，這意味著圖像運(yùn)動平緩或者在內(nèi)容上基本沒有變化。對于一個宏塊的每個象素而言，APIB的不僅與DCT系數(shù)有關(guān)，而且還受量化步長的影響。如果編碼器選擇的量化步長較大，則較多的DCT系數(shù)被量化為零，這導(dǎo)致圖像的一些運(yùn)動信息和內(nèi)容信息被量化掉，降低了宏塊的編碼復(fù)雜度；
7、反之，如果編碼器選擇較小的量化步長，則較多的DCT系數(shù)被保留，這種細(xì)量化保留了較多的圖像運(yùn)動信息和內(nèi)容信息，提高了宏塊的編碼復(fù)雜度。從上面的分析看出，宏塊的APIB應(yīng)該與DCT系數(shù)的絕對大小成正比，而與編碼器的量化步長成反比。由此，定義一個宏塊的APIB如（1）式：N?1log(
8、Y/X
9、+1)2iMB_Info_Bit=float(∑)（1）i=0N式中，Yi代表宏塊內(nèi)某一個象素的DCT系數(shù)，X代表編碼器的最小量化步長，N代表宏塊內(nèi)所有象素的個數(shù)。由于H.264標(biāo)準(zhǔn)中定義的最小量化步長為0
