（信号与信息处理专业论文）基于h264无线视频传输的码率控制算法研究及实现.pdf

r a t ec o n t r o l a l g o r i t h mr e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f w i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o nb a s e do nt h eh 2 6 4 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oy a n g z h o uu n i v e r s i t yf o rm a s t e r s d e g r e e c a n d i d a t e ：l i a n gc h e n s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h e n g h u az h a n g m a jo r ：s i g n a l & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g y a n g z h o uu n i v e r s i t y y a n g z h o u ，j i a n g s u ，r r c h i n a a p r2 012 摘要( a b s t r a c t ) 摘要 随着嵌入式技术的飞速发展，移动智能终端的功能更加丰富，人们对于多媒体信息的 需求也不断提高。而视频信息则是多媒体无线传输及应用的最大热点，面向无线通信的视 频编解码与传输技术已引起国内外学者的广泛兴趣。 目前，对无线视频传输的研究主要集中在3 g 网络，或者利用w i f i 组建宽带局域网 传输视频，通过一些低码率的无线信道传输视频的研究不是很多。最近几年关于物联网技 术的研究十分广泛，但是目前这种无线短距离数据传输技术的主要功能是传输信息量较小 的传感器所采集的信息。随着微电子、射频技术的不断发展， z i g b e e 的传输速率已经可 以达到6 2 5k b p s 。而新一代视频压缩标准h 2 6 4 a v c 的提出大大改善了视频的压缩性能， 在同样的视觉质量下，h 2 6 4 的压缩效率要比m p e g 4 提高约5 0 的效率。因此在z i g b e e 网络中传输低码率视频码流值得研究。 本文针对无线信道带宽窄、波动大等特点，着重研究了低码率无线视频传输的码率控 制方法，使得h 2 6 4 编码器输出的视频码率更加平稳，从而提高在无线信道中的传输质量。 本文在研究j m 标准软件中码率控制方案的前提下，提出了基于图像灰度差值的帧层目标 比特分配算法，以及在计算量化参数时提出了根据稳定因子来确定量化参数的计算方法。 实验结果表明，该算法在码率的控制精度上有所提高，并且输出的码率比标准算法更加的 平稳，更加适应无线信道的传输；同时本文的码率控制算法在视频质量的控制方面也有所 提升，与标准算法相比，本文提出的算法在视频的峰值信噪比方面提高了约o 2 8d b 。 为了能够了解视频在z i g b e e 信道中的传输特性，本文采用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 仿真软件构建一个2 4g h z 频段、最大传输速率为2 5 0k b p s 的z i g b e e 网络环境，并在该 z i g b e e 环境与编码器之间建立一个中间连接件，从而使得h 2 6 4 编解码器和z i g b e e 网络 组成一个视频传输模型。通过仿真比较，当码率不超过1 2 8k b p s 时误码率较小，在单跳网 络中传输的视频码流解码后图像可以接受。同时本文提出的码率控制算法比标准算法的码 率控制算法在视频传输控制时效果更好。 为了验证z i g b e e 的低码率视频传输性能，使用三个z i g b e e 模块组成一个单跳网络， a r m l l 嵌入式平台作为接收端，p c 机作为发送端，从而组成一个硬件传输平台。通过实 验对比，在1 2 8k b p s 波特率下，误码率在3 5 ；在6 4k b p s 波特率下，误码率在1 2 ； 在2 5 6k b p s 码率下，误码率超过5 0 。因此，在z i g b e e 无线网络中传输低码率视频可以 实现。 关键字：h 2 6 4 码率控制z i g b e e n s 2a r m l1 无线视频传输 i i 摘要( a b s t r a c t ) 一 摘要( a b s t r a c t )j i i a b s t r a c t f o rs e v e r a ly e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h ef u n c t i o no f m o b i l ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lh a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r er i c h i na d d i t i o n ，p e o p l ea r ea l s or a i s i n g d e m a n df o rm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l si st h eh o ts p o t o fm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , a n dm a n ys c h o l a r sb o t ha th o m ea n da b r o a da r ei n t e r e s t e di nt h e t e c h n o l o g yo fc o d i n ga n dd e c o d i n gt h ev i d e oi n f o r m a t i o na n d t h et r a n s m i s s i o no fi t 。 a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c hf o rw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nh a v ef o c u s e do nt h e3 gn e t w o r k ， o ru s et h ew i f it ob u i l dt h eb r o a d b a n dl o c a la r e an e t w o r kt ot r a n s m i tv i d e o s i nr e c e n ty e a r s ， ， p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e to ft h i n g s b u tt h em a i nf u n c t i o no f t h ei n t e r n e to ft h i n g st e c h n o l o g yi so n l yt os e n dt h es m a l ld a t ac o l l e c t e db yt h es e n s o r s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dr ft e c h n o l o g y 。t h et r a n s m i s s i o nr a t eo fz i g b e eh a sr e a c h e d u pt o6 4 0k b p s h 2 6 4 a v c ，t h en e wg e n e r a t i o nv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，h a sg r e a t l y i m p r o v e dt h ev i d e oc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e i nt h es a m ev i s u a lq u a l i t y , t h ec o m p r e s s i o n e f f i c i e n c yo fh 2 6 4i m p r o v e sa b o u t5 0 t h a nt h em p e g 一4 t h e r e f o r e ，t h el o wb i tr a t eo fv i d e o c o d e ds t r e a ms e n ti nz i g b e en e t w o r ki sw o r t hs t u d y i n g 。 d u et ot h ew i r e l e s sc h a n n e l sf e a t u r e si nl i m i t e db a n d w i d t ha n db i gf l u c t u a t i o n ，t h i sp a p e r p a i da t t e n t i o nt ot h es c h e m eo ft h er a t ec o n t r o lf o rt h el o wb i tr a t ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s s c h a n n e l s t h i sm e t h o dm a d et h eo u t p u tb i tr a t eo ft h eh ，2 6 4v i d e oc o d e rm o r es t a b l e t h e n t r a n s m i s s i o nq u a l i t yi nw i r e l e s sc h a n n e l sw a si n c r e a s e d a c c o r d i n gt ot h er a t ec o n t r o lf o rj m s o f t w a r e ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e da na l g o r i t h mf o rb i t sa l l o c a t i o ni nt h ef r a m el e v e lb a s e do nt h e g r a yh i s t o g r a ma n dc o m p u t i n gt h eq u a n t i z a t i o np a r a m e t e rw i t ht h es t a b i l i z i n g f a c t o r t h e e x p e r i m e n tr e s u l t st u r no u tt os h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi m p r o v e dt h ea c c u r a c yo ft h er a t ec o n t r o l ， a n dt h eo u t p u tb i tr a t ei sm o r es t a b l et h a nt h es t a n d a r da l g o r i t h m t h e r e f o r e ，i ti sm o r ea c c e p t a b l e u s e di nt h ew i r e l e s sc h a n n e l s t h ea l g o r i t h mw ep r o p o s e dh a sa na v e r a g ei n c r e a s eo f0 2 5d b s i g n a l t o - n o i s et ot h es t a n d a r dr a t ec o n t r o la l g o r i t h m ，s oi ta l s oi m p r o v e dt h eq u a l i t yo f v i d e o s i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i d e oi nt h ez i g b e ec h a n n e l ， w eb u i l daz i g b e en e t w o r ke n v i r o n m e n tb a s e do nn e t w o r ks i m u l a t o r t h ef r e q u e n c yb a n do ft h e n e t w o r ke n v i r o n m e n ti s 2 4g h za n dt h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nr a t ei s2 5 0k b p s a n i n t e r m e d i a t ec o n n e c t i o nh a sb ee s t a b l i s h e db e t w e e nt h ez i g b e ee n v i r o n m e n ta n de n c o d e r jt h u si t m a d et h eh 2 6 4c o d e ca n dz i g b e en e t w o r kc o m p o s e do fav i d e ot r a n s m i s s i o nm o d e l b 3 7 摘要( a b s t r a c t ) c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h e nt h eb i tr a t ei sn o tm o r et h a n12 8k b p s ，t h ev i d e os t r e a m s t r a n s m i t t e di nas i n g l eh o pn e t w o r kh a v el o we r r o rr a t e ，t h ed e c o d e di m a g ec a nb ea c c e p t e d c o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r da l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mw ep r o p o s e dc o n t r o lt h er a t eb e t t e ri nt h e t r a n s m i s s i o n i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fl o wb i tr a t ev i d e ot r a n s m i t t e di nt h ez i g b e ec h a n n e l s w eb u i l das i n g l eh o pn e t w o r ku s i n gt h r e ez i g b e ed e v i c e s ，d e s i g nar e c e i v e ru s i n gt h ea r m11 e m b e d d e dp l a t f o r m ，a n da l s o d e s i g nas e n d e ru s i n gac o m p u t e r s o ar e a lp l a t f o r mf o rt h e t r a n s m i s s i o ni sm a d eb yt h et h r e ep a r t s c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t s ，t h ee r r o rr a t ei s3 t o5 w h e nt h eb i tr a t ei s12 8k b p sa n di s1 t o2 w h e nt h eb i tr a t ei s6 4k b p s s p e c i a l l y , w h e nt h e b i tr a t ei sm o r et h a n2 5 6k b p s ，t h ee r r o rr a t ei sm o r et h a n5 0 t h e r e f o r e ，t h el o wb i t r a t ev i d e ot r a n s m i t t e di nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r kc a nb ea c h i e v e d k e yw o rd s ：h 2 6 4 ；r a t ec o n t r o l ；z i g b e e ；n s 2 ；a r m t1 ；w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 无线视频通信技术1 1 2 1 视频压缩编码技术2 1 2 2 无线通信技术2 1 3 本课题研究的主要内容3 1 4 论文结构安排4 2 经典码率控制算法5 2 1m p e g 2 中的t m 5 方案5 2 2h 2 6 3 中的t m n 8 方案6 2 3m p e g 4 中的v m 8 方案7 2 4h 2 6 4 的码率控制方案8 2 5 本章小结一9 3h 2 6 4 a v c 码率控制算法分析及改进1o 3 1h 2 6 4 码率控制算法研究1 0 3 1 1j v t - h 0 1 7 码率控制算法特点1 0 3 1 2g o p 层码率控制算法11 3 1 3 帧层码率控制算法1 2 3 。1 。4 基本单元层码率控制算法15 3 2 一种基于复杂度的自适应控制算法研究1 6 3 2 1h 2 6 4 码率控制算法存在的问题1 6 3 2 2 基于图像灰度差值的帧层目标比特分配17 3 2 3 基于稳定因子的量化参数计算1 8 3 2 4 实验结果比较2 0 3 3 本章小结2 2 4 基于n s 2 的z i g b e e 网络视频传输环境构建2 3 4 1z i g b e e 技术特点2 3 4 1 1z i g b e e 网络中的设备类型2 3 4 1 2z i g b e e 的网络拓扑结构2 3 4 1 3z i g b e e 协议的架构2 4 4 2 在n s 2 中构建z i g b e e 网络视频传输模型2 6 4 2 1n s 2 的安装2 6 4 2 2z i g b e e 协议在n s 2 中的实现2 9 4 2 3h 2 6 4 视频传输模型的创建3 4 4 3z i g b e e 网络视频传输仿真及性能分析3 5 4 3 1 传输仿真的实现步骤3 5 4 3 2 解码视频质量分析3 7 4 4 本章小结3 8 5 基于z i g b e e 网络的视频传输及a r m 解码实现一3 9 5 1 嵌入式系统概述3 9 5 2 构建基于a r m l1 的嵌入式平台4 0 5 2 1 构建交叉编译环境4 1 5 2 2 建立嵌入式l i n u x 系统平台一4 4 5 3 构建z i g b e e 网络视频传输系统5 0 5 3 1 发送端设计实现5 0 5 3 2 设置z i g b e e 网络5 1 5 3 3 接收解码段设计实现5 3 5 4 视频解码对比分析5 6 5 5 本章小结5 8 6 总结和展望5 9 6 1 研究内容总结5 9 6 2 未来的研究内容6 0 参考文献：6 1 攻读硕士期间完成的学术论文和科研项目一6 5 致谢6 7 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书6 9 陈亮：基于h 2 6 4 无线视频传输的码率控制算法研究及实现 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着多媒体技术的不断发展，人们对信息的获取已经不再是通过被动的报纸和电视， 而是可以主动地通过互联网来获取想要的信息。并且，信息已经从简单的文字和图片向更 加复杂的音频和视频发展。音视频文件能够很好地还原当时的情景，因此对视频信息的开 发利用及传输具有重要的意义及应用价值。视频信息的通信必将成为发展的趋势。 数字视频技术在通信领域获得了日益广泛的应用。视频信息具有直观性、高效性、确 切性和广泛性等优点，但是视频信息的信息量太大，要使视频得到有效的应用，必须首先 解决视频压缩编码问题和保证压缩后视频的质量。2 0 0 3 年3 月，国际电信联盟标准化组织 和国际标准化组织( i t u t i s o ) 正式公布了h 2 6 4 视频压缩标准u 2 j ，该标准比之前的各 种视频压缩标准具有更加出色的性能。同h 2 6 3 和m p e g 4 相比，在相同的视频质量下， 其比特数能够降低一半；或者在相同的码率下，其信噪比得到了明显提高。由于其优异的 性能，h 2 6 4 在数字电视广播、网络视频多媒体传递、视频实时通信等方面发挥着重要的 作用【3 圳。而随着移动数据业务的不断丰富，视频的无线传输正在不断发展，这也对视频的 压缩技术及无线传输技术提出了更高的要求。而随着信息社会的不断发展，人们对于安防 监控的要求也不断提高，对于一些特殊的场合，如海上、火场搜救、单兵侦察、远程监控 等比较复杂的环境，布设有线电缆比较困难，又需要掌握这些场合实时的态势发展，无线 视频传输将成为一个比较理想的方案。 h 2 6 4 a v c 有较高的编码效率、较好的网络适应性和很强的抗误码特性，非常适合丢 包率高的无线视频传输【5 。6 j 。无线视频通信一直是h 2 6 4 的一个重要应用方向，无线视频 得不到广泛应用的一个重要原因就是视频质量不理想，这与视频的压缩技术有很大关系， h 2 6 4 的高压缩比能够有效改善这种状况。无线信道传输时经常会出现丢包、误码等现象， 通过改善h 2 6 4 的码率控制算法，使之适应无线信道的特点，这样可以使通过无线信道传 输的视频质量有所提高。很多国内外专家和学者已经对h 2 6 4 码率控制算法进行研究，并 提出了很多的改进算法。 1 2 无线视频通信技术 无线视频传输技术包含视频压缩技术和无线传输技术两个方向，这两个方向本身都拥 有一套独立体系。对于视频压缩来说，主要是采用复杂的编码算法，使压缩性能尽可能地 提高；而对于无线传输来说，其主要目的是通过高效的调制编码算法，实现数据的可靠传输。 2 扬州大学硕士学位论文 无线通信系统的结构如图1 1 所示。 1 2 1 视频压缩编码技术 图1 1 无线通信系统示意图 视频是由一幅幅连续的静态图像构成的，一般每秒2 5 帧或者3 0 帧。视频压缩的基本 原理是消除冗余，去除对恢复图像不必要的一些数据，降低视频序列之间的相关性，用更 少的比特数来表示原视频序列。视频的冗余信息主要分为以下四类 7 ： ( 1 ) 时间冗余：视频中两帧图像之间的时间间隔很短，因此连续帧之间的相关性很强，这 样就具有了较多的时间冗余。 ( 2 ) 空间冗余：在视频的一帧图像中，相邻像素之间会具有很强的相关性，使得视频在空 间上存在较多的空间冗余。 ( 3 ) 统计冗余：在预编码的序列中各字符出现的频率是不同的，这种不均匀性就出现了统 计冗余。 ( 4 ) 感知冗余：人在观看视频图像时，有些信息是人眼无法察觉的，因此这部分信息也就 构成了感知冗余。 为了减少视频中的冗余信息，国内外专家学者提出了许多编解码技术来实现高效的视 频压缩。i t u t i s o 根据不同的需要制定了m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 以 及新一代具有更出色性能的h 2 6 4 标准。 1 。2 2 无线通信技术 目前使用最广泛的无线通信技术主要分为两大类，一类是移动通信，另一类是短距离 无线传输。移动通信属于公网通信，主要为公众提供文字、语音及多媒体服务。最近几年 各大移动运营商都在积极建设3 g 网络，从而进一步提高频率利用率、服务质量、传输速 率和降低成本。3 g 业务的个主要应用就是提供包括视频在内的多媒体通信。短距离无线 传输主要是指包括u w b 、w i f i 、蓝牙、z i g b e e 等。它们都具有各自的特点，般都是符 合某些单一的应用，无法满足所有的传输要求。由于本课题主要针对局部的无线视频传输， 陈亮：基于h 2 6 4 无线视频传输的码率控制算法研究及实现 因此对上述几种短距离无线传输技术作简要的分析。 超宽带( u w b ) 是一种无线载波通信技术。它不采用正弦波，而是采用纳秒级别的非 正弦窄带脉冲，因此其所占用的频谱范围非常宽，在3 1 1 0 6g h z 频段上占用5 0 0m h z 以上。u w b 在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传输数据，不会对常规的窄带通信系 统构成很大的干扰，尤其适合室内等密集多径场所的无线接入。其最具特色的应用将是视 频消费娱乐方面的无线个域网( p a n ) 。 w i f i ( i e e e s 0 2 1 l x ) 作为w l a n 的主要技术标准，目的是提供无线局域网的接入，在 2 4g h z 频段可以实现几m b p s 至几百m b p s 的无线接入。i e e e 8 0 2 1 1 几个版本包括： 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 9 以及最新的8 0 2 1 1 n 。由于其优异的带宽是以较高的功耗为代价， 因此这些设备需要有较高的电能储备。这限制了它在工业场合的应用。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术主要用于数据和语言的短距离传输，工作在2 4g h z 频段，采 用f h s s 扩频模式，信道带宽为1m h z ，传输距离在1 0 1 0 0 m 。为了对语音和特定的网络 提供支持，协议栈需要提供2 5 0k b 的系统开销，蓝牙的每个微微网最多只能配置7 个节 点，因此制约了其在大型传感网络中的应用。 z i g b e e 技术是最近发展起来的一种近距离通信技术，具有功耗低、成本低、易组网、 易应用等特点。其工作在2 4g h z 为主的频段上，采用d s s s 直接序列扩频技术。通过网 络协调器，一个z i g b e e 网络能够最大容纳6 5 5 3 5 个网络节点。z i g b e e 已在工业监控、传 感器网络、家庭监控等领域得到广泛的应用。上述四种短距离无线通信技术的比较如表1 1 所示。 表1 1 四种短距离无线传输技术特性比较 1 3 本课题研究的主要内容 本文主要研究h 2 6 4 视频压缩编码标准，针对无线信道带宽窄、波动大等特点，着重 研究了低码率无线视频传输的码率控制方法，使h 2 6 4 编码器输出的视频码率更加平稳， 从而提高在无线信道中的传输质量。本文在研究j m 标准软件中码率控制方案的前提下， 提出了基于图像灰度差值的帧层目标比特分配算法，以及在计算量化参数时提出了根据稳 定因子来确定量化参数的计算方法。经过实验对比，该算法在码率的控制精度上有所提高， 4扬州大学硕士学位论文 并且输出的码率比标准算法更加平稳，更加适应无线信道的传输；同时本文的码率控制算 法在视频质量的控制方面也有所提升，与标准算法相比，本文提出的算法在视频的峰值信 噪比方面提高了约0 2 8d b 。 为了能够了解视频在z i g b e e 信道中的传输特性，本文采用n s 2 仿真软件构建一个 z i g b e e 网络环境，并通过在该z i g b e e 环境与编码器之间建立一个中间连接件，从而使h 2 6 4 编解码器和z i g b e e 网络组成一个视频传输模型。通过仿真比较，本文提出的码率控制算法 比标准算法的码率控制算法在视频传输控制时效果更好。 为了验证z i g b e e 的低码率视频传输性能，本文通过三个z i g b e e 模块组成一个单跳网 络，a r m l l 嵌入式平台作为接收端，p c 机作为发送端，从而组成一个硬件传输平台。 研究了嵌入式l i n u x 系统等知识，通过实验表明，低码率视频在z i g b e e 无线网络中传输可 以实现。 1 4 论文结构安排 第一章：阐述国内外对于无线视频传输的研究现状，分析无线视频传输的技术特点。 由于无线信道的带宽窄、存在多径衰弱、误码率较高等特点，码率控制在视频的无线传输 过程中显得至关重要，因此提出了本课题的研究内容、目的、意义等。 第二章：分析m p e g 一2 、m p e g ，4 、h 2 6 3 和h 2 6 4 视频压缩标准码率控制方案中的经 典算法，并对码率控制算法中比特数的分配进行重点分析，总结了各码率控制算法的优缺 点，并提出了h 2 6 4 码率控制算法中存在的问题。 第三章：针对无线视频传输的特点，对h 2 6 4 视频压缩标准中的码率控制算法进行改 进，使其更加适应无线信道的视频传输。本课题提出了基于图像灰度的帧层目标比特数分 配算法以及基于稳定因子的量化参数计算方法。通过实验对比，改进算法的码率控制效果 比原算法有所改善。 第四章：对z i g b e e 技术进行研究，在n s 2 仿真软件中构建了z i g b e e 网络环境，并编 写了编码器与z i g b e e 网络的中间件，构建了一个z i g b e e 网络的视频传输模型，并对视频 传输进行仿真。 第五章：使用基于$ 3 c 6 4 1 0 芯片的a r m l l 嵌入式平台、z i g b e e 模块，以及p c 机， 构建z i g b e e 视频传输的硬件环境。用p c 机作为发送端，发送不同视频码流，a r m l l 嵌 入式平台接收视频码流，并进行解码操作。从而进一步研究视频在z i g b e e 网络中的无线传 输特性。 第六章：总结和展望 陈亮：基于h 2 6 4 无线视频传输的码率控制算法研究及实现 2 经典码率 - 窄l i j 算法 码率控制是视频压缩编码中一个非常重要的组成部分，它能够在有限带宽的信道中使 传输的视频码流更；h h l 急定，并且能够通过调整视频序列的比特分配来优化视频的主观质 量。视频压缩中码率控制所面临的最大困难是精确计算量化参数来克服信道中诸如带宽有 限、时延等约束，从而使得视频质量最优。下面介绍几种常用的码率控制方案。 2 1m p e g - 2 中的t m 5 方案 在m p e g 2 的t m 5 算法嘲中，码率的控制主要分成三步来完成的。首先，根据当前帧 的类型( i 帧、p 帧或b 帧) 、前一帧的复杂度和图片组( g r o u po fp i c t u r e ，g o p ) 的剩余 比特数来完成帧层的比特数分配。前一帧的复杂度可以通过公式( 2 1 ) 计算得到。 x l = s 1 q p l x 。= s p 必 ( 2 - 1 ) x b = s b q p b 其中，s 、s 。和s b 为该帧图像实际编码的比特数，缎、q p p 矛h 妈为该帧中所有编 码宏块量化参数的平均值。g o p 中当前帧的目标比特数是通过率失真模型计算得到的。目 标比特数的计算如公式( 2 2 ) 所示，其中r 为g o p 的剩余比特数，k 。、蟛为加权系数。 1 + n ；x p + 盟蔓8 加聊e _ r a 陀 x l k px k rb i tr a t e p + 酉n b k p x b 8 触一删p rb i tr a t e m + 等8 啪绷u 砒 ( 2 2 ) 其次，在一帧图像中需要计算各个宏块的量化参数，第j 个宏块的量化参数可以通过 公式( 2 3 ) 。 q p ：生里 ( 2 3 一) =：l2 一) 一j r 6 扬州f 大学硕士学位论又 其中，d ，为当前帧编码后缓冲器的占用比特数，r 为反映参数，通过公式( 2 4 ) 得到c r ：，) y 丝：! 堡丝( 2 4 ) r = 一 厶一 f r a m e r a t e 最后通过归一化处理，获得自适应的量化参数。所有的计算都满足率失真和量化参数 成正比，以及为了保证不同帧型图像的稳定性，每一种帧型的量化参数之间成固定比例的 假设 9 1 。i 、p 和b 帧之间的关系如公式( 2 5 ) 所示。 堡：丝：盟( 2 5 ) 1 k p 瓦 其中，k 。、k 。为常量，一般取1 0 和1 4 。 t m 5 码率控制算法存在几个问题。第一，r d 模型的假设可能会与实际情况不相符， 比如直接影响不同帧型输出图像质量的比例参数k 。、蟛是一个常量而不会根据实际编码 结果变化的 10 1 。第二，t m 5 算法没有一个预防缓冲器向上或者向下溢出的机制。第三，t m 5 不能很好地处理场景切换。因为t m 5 中图像的复杂度是根据之前图像得到的，因此场景 切换会与当前帧差别非常大。针对这些问题，文献【1 1 提出了使用负指数率失真关系来计算 帧层的目标比特数。而文献1 2 】贝0 提出在帧内采用经验公式来选择量化参数。 2 2h 。2 6 3 中的t m n 8 方案 h 2 6 3 1 3 1 采用的t m n 8 码率控制算法使用了一种帧层的码率分配方案来计算当前帧的 目标比特数，以及采用了一种宏块层的码率控制方案来选择宏块量化步长的值。在帧层的 比特分配中，当前帧的目标比特数丁通过公式( 2 - 6 ) 求得。 丁：丝：! 丝一 f r a m e r a t e 墅 w z b u y s i z e 2 f r a m e r 以陀 一 ( 2 - 6 ) i 形一z b u ys i z e ，其他 w = m a x ( w p 。+ b 。、，一? 竖，o ) 7 【r a m er a t e 其中b i t r a t e 表示信道每秒传输的比特数，r a m e r a t e 表示帧率，6 矿一s i z e 表示缓冲区的 大小，w 表示编码缓冲区中的比特数，睨。表示之前缓冲区中的比特数，b ，表示前一帧 编码实际使用的比特数，z 是一个值为0 1 的常量。帧层目标比特数会随着视频帧的类型、 缓冲区占用度及信道容量的变化而变化。为了能够实现低时延，该算法维持缓冲区占用度 在1 0 左右，当形超过1 0 时，丁会慢慢减小，否则的话f 会慢慢增加。 在宏块层，t m n 8 在一帧内所有宏块中选择最优的量化步长，从而使得总的失真最小。 由于h 2 6 3 的码率较低，所以采用了文献【1 4 中的码率和失真模型。宏块层的码率分配采用 陈亮：基于h 2 6 4 无线视频传输的码率控制算法研究及实现 公式( 2 7 ) 计算。 尺( 矿削( k 蠹+ c ) 其中，a 为宏块中像素的个数，k 为模型参数，c 表示头部文件的额外比特数， 个宏块的量化步长，盯2 为宏块中六个块的均方差。而对于失真的计算如下： 。= 击塾譬 ( 2 7 ) 缎为第i ( 2 8 ) 其中，口，表示第f 个宏块的失真权重，m 是一帧中宏块的个数。 量化步长的求解转化为在约束条件下求极值，可以采用拉格朗日乘数法求得每个宏块 的最优量化步长。公式( 2 9 ) 给出了第f 个宏块的最优量化步长q e , + 。 q p , + = f 肛一a 眦kl 够c r 酗m 吼 口，仃， 肛一以朋，l口， 管。扩。 三 o 5 ( 2 _ 9 ) a n 其他 其中，m ，表示未编码的宏块数，初值为m ，屈表示剩余未编码的比特数，初始值为丁。 t m n 8 中使用了简单的跳帧策略来帮助实现目标码率，在当前被编码前，编码缓冲区 占用的比特数会根据公式( 2 6 ) 更新。当形大于或者等于b u f _ s i z e 时，编码器跳过压缩帧 的过程，直到小于b u fs i z e 。因为每当跳过一帧，缓冲区占用的比特数会减少 b i t r a t e f r a m e r a t e 个比特数。 2 3m p e g - 4 中的v m 8 方案 m p e g 4 1 5 】使用的v m 8 码率控制算法中g o p 层和帧层的码率分配方案同t m 5 基本相 同，另外该算法还加入一个二次r d 码率模型( 1 6 】，如公式( 2 1 0 ) 所示。 r ：互+ 互( 2 1 0 ) q pq p 。 其中r 为当前帧编码所用的总比特数，妙为当前帧的量化参数，五和x ：是2 个模型参量， 通过对前面己编码信息线性预测得到。m p e g 4 的码率控制过程分为5 个步骤： l 、参数初始化 初始化二次量化模型的两个系数、第一个i 帧和p 帧的量化参数、缓冲区大小以及目 标缓冲级别等参数。当第一个i 帧编码完成后，目标缓冲级别被初始化为缓冲区大小的一 半。 2 、目标比特数估计 q +盯一 0 k 三胧 r，、， j i 口 8 塑型奎堂堡主堂堡笙壅 一一 当前帧的目标比特数瓦。是根据前一帧已编码比特数和剩余平均每帧的比特数按照一 定比率计算得到，通常取前一帧的5 和剩余平均帧的9 5 。并且还规定了一个下限，其 计算如公式( 2 1 1 ) 所示。 耻m a x 警，o 等+ 0 0 5x ( 2 - 1 d 其中，r r 是未编码帧的总比特数，n r 是未编码帧数，b p 。是前一帧编码比特数。为了防 止缓冲器向上或者向下溢出，码率控制算法加入了缓冲器控制，初始化的目标比特数。会 根据缓冲区占用度和缓冲器大小进行调节，调整方法如公式( 2 1 2 ) 所示。 丁= t l