摘 要： 針對H.264/AVC碼率控制算法,，提出了一種基于I幀復(fù)雜度和每像素的比特?cái)?shù)的初始量化參數(shù)設(shè)置算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，與H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)參考軟件JM8.6中的算法相比,，改進(jìn)后的算法在提高峰值信噪比（PSNR）和碼率控制精確度的同時(shí)減小了PSNR值的波動。
關(guān)鍵詞： H.264/AVC,； 碼率控制,； 量化參數(shù)
快速增長的視頻通信需求刺激著視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展。與已有的其他視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比,，最新的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)因采用多參考幀,、運(yùn)動補(bǔ)償?shù)刃碌木幋a技術(shù)，在編碼效率上提供了重要的改進(jìn),。目前,碼率控制(RC)作為視頻編碼的重要組成部分也變得越來越完善,，并且得到了學(xué)者們的高度關(guān)注。
為了在碼率和失真之間實(shí)現(xiàn)最好的折中性能,在H.264標(biāo)準(zhǔn)中提出了率失真優(yōu)化(RDO）,。然而,，RDO使得H.264碼率控制更加復(fù)雜并且導(dǎo)致了蛋雞悖論[1],這就對H.264的碼率控制算法提出了新的挑戰(zhàn),，也是一個(gè)非常熱門的研究課題。
為了解決蛋雞悖論的問題,，一些碼率控制算法已經(jīng)開發(fā)出來[1-3],。LI等人提出了一次編碼碼率控制算法JVT-G012。鑒于其效率,，它已在H.264/AVC的參考軟件中被采用,。然而在此方案中仍然存在著一些不足之處：(1)不精確的初始QP估計(jì)：在JVT-G012中，初始QP的估計(jì)僅僅取決于每像素的比特?cái)?shù)(bpp),，然而,，這種初始化方案沒有考慮幀的復(fù)雜度，不夠精確,；(2)緩存控制能力不足：可以看到,，緩存器有時(shí)會失控導(dǎo)致跳幀，尤其是在低比特率的情況下,；(3)不精確的幀層比特控制：有時(shí),，一幀的目標(biāo)比特和它實(shí)際產(chǎn)生的編碼比特偏差相當(dāng)大。
所有這些不足都可能引起跳幀,、平均PSNR值下降及不良的PSNR波動,，特別是對于復(fù)雜的視頻序列和低目標(biāo)比特率的情況。本文主要針對第一個(gè)不足進(jìn)行改進(jìn),。
1 對初始QP設(shè)置的改進(jìn)
1.1 H.264中初始QP設(shè)置
在JVT-G012中,，碼率控制開始時(shí)，第一個(gè)GOP的第一個(gè)I幀的初始QP值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的,在沒預(yù)先設(shè)定時(shí)采用如下方法計(jì)算：
由bpp的表達(dá)式不難看出,，對于不同的視頻序列,，在已設(shè)定的目標(biāo)比特率、幀率及同一圖像格式的情況下,，計(jì)算出來的bpp的值是一樣的,，再通過式(1)計(jì)算就得到相同的初始QP值。即不同視頻序列的第一個(gè)I幀均采用相同的初始QP值編碼,。但不同視頻序列的復(fù)雜度是不同的,，其需求的目標(biāo)比特?cái)?shù)也不相同，若采用統(tǒng)一的初始QP值編碼,，勢必會導(dǎo)致碼率控制不精確,。
1.2 本文的改進(jìn)算法
目前已有很多針對QP初始化設(shè)置的算法研究[4-7]，但為了減少算法及編碼的復(fù)雜度,，本文采用基于bpp和I幀復(fù)雜度的算法來設(shè)置QP的初始值,。參考文獻(xiàn)[6]提到采用梯度來衡量圖像復(fù)雜度的方法性能較好，因此本文采用基于梯度的方法來衡量I幀復(fù)雜度。梯度G的定義如下：
其中,，W和H分別是一幀圖像的寬度和高度,，Pi,j表示(i,j)處的像素值。
為了更好地看出每個(gè)視頻序列的第一個(gè)I幀復(fù)雜度與最佳初始QP的關(guān)系,，選擇foreman,、football、news,、mobile等視頻序列進(jìn)行試驗(yàn),。使用H.264/AVC的參考軟件JM8.6，測試序列為標(biāo)準(zhǔn)QCIF格式,目標(biāo)碼率為64 kb/s,幀率為15 S/s,，編碼50 S,，采用IPPP編碼模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,。
圖中QP=25的直線是在上述給定的實(shí)驗(yàn)條件下通過式(1)計(jì)算出來的初始QP值,，再次說明了JVT-G012中不同視頻采用相同初始QP值。從圖中不難看出,，在一定的條件下,復(fù)雜度低的圖像初始QP值應(yīng)較小,，而復(fù)雜度高的圖像初始QP值應(yīng)較大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)G與最佳初始QP的關(guān)系比較難擬合,。因此根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]定義F(G)函數(shù)如下：
對QCIF 和CIF 格式的圖像編碼時(shí),，e1、e2,、e3的取值分別為{0.68,-7.21,12.29}和{-0.76,18.87,-91.42},。
本文算法是在式(1)計(jì)算出的qp的基礎(chǔ)上結(jié)合G對初始QP的影響，來確定最終的初始QP值,，經(jīng)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),，最終的算法如下：
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本文改進(jìn)算法的有效性,本文使用了H.264/AVC的參考軟件JM8.6并與其碼率控制算法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)條件：測試序列為標(biāo)準(zhǔn)QCIF格式,，目標(biāo)碼率為64 kb/s,幀率為15幀/s,，GOP長度為25,編碼100幀, 采用IPPP編碼格式。結(jié)果如表1所示,。
本文對JVT-G012算法中初始QP的設(shè)置進(jìn)行改進(jìn)，盡管表達(dá)式(4)不夠精確,，計(jì)算出的初始QP值可能不是最佳值,，但相對于式(1)僅利用bpp計(jì)算得出的初始QP卻比較合理。從表1可以看出本文算法可以選擇較優(yōu)的初始QP值,使編碼效果在PSNR值及碼率控制準(zhǔn)確度兩方面均優(yōu)于原算法,尤其對于運(yùn)動較劇烈的football,、mobile序列效果明顯,。而且從圖2和圖3中可以看到,本文算法得到的PSNR曲線的波動范圍更小。此外，與目前很多相關(guān)算法相比,，本文算法簡單,，相對于JVT-G012算法，引入的編碼復(fù)雜度也較小,。
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