H_264码率控制算法改进

1、 H.264码率控制算法改进12刘春燕 靳俊霞 (1. 武汉理工大学 华夏学院信息工程系 湖北 武汉 430070; 2. 武汉理工大学 计算机科学与技术学院 湖北 武汉 430070摘 要: 码率控制技术用来调整并控制视频编码器的输出比特率,以满足带宽要求和保持平稳的输出码流,并获取在质量和带宽利用上的最佳均衡。根据编 码视频帧的复杂性及其编码比特来调解量化步长,达到降低最大码率的目的。结果表明,采用的该算法在不影响 PSNR 的情况下,码率极值得到一定程度的控制。关键词: 码率控制;编码;码流中图分类号:文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2010091090-01 多媒体通信系

2、统中,压缩的视频码流需要在带宽不一致且变化的网络 上传输。视频编码器的大速率输出会导致不可想象的网络拥塞;另一方 面,视频编码器输出比特率无控制的减少,会导致不必要的质量下降及对 现存网络资源的低效利用。为了充分利用网络资源,并保证用户获得最优 的视频质量,视频通信系统中需要引入码率控制技术来获取在质量和带宽 利用上的最佳均衡 12。 H.264提案 JVT-G012提出用流量往返模型来分配 每个基本单元目标比特数,并在宏块层编码采用二次率失真函数计算量化 参数,用此量化参数来进行模式选择和编码。尽管这种算法可以达到目标 码率而且图像也没有明显波动,但是对一个宏块两次的 RDO 计算的时间复杂

3、 度是难以接受的。而 X264作为 H.264的一种实用实现模型广受好评 34。 X264是网上自由组织联合开发的兼容 H.264标准码流的编码器。它注重实 用,在不明显降低编码性能的前提下,努力降低编码的计算复杂度,故 X264摈弃了 264中一些对编码性能贡献微小但计算复杂度极高的新特性,如 多参考帧、帧间预测中不必要的块模式、 CABAC 等。本文研究的主要是 X264平均码率模式下的码率控制算法。1 X264概述 H.264编码器采用基于 Lagrangian 优化算法的率失真优化模型实现视 频编码的控制。而 X264编码器的码率控制算法是基于 libavcodec 的,其 QP 的量

4、化值是通过预测当前的帧的复杂度计算得到的,与率失真优化算法 有很大的差别 56。 公式(1为 x264预测当前编码帧的复杂度算法, SATDn 为之前编码帧 像素经 hadamard 变换后再绝对值求和。 x264码率控制算法中通过计算当前 帧的 SATD (Sumof Absolute Transformed Difference作为模式选择的依 据。 SATD 是将残差经哈德曼(Hadamard 变换的 4×4块的预测残差绝对值 总和,可以将其看作简单的时频变换,在一定程度上可以反映生成码流的 大小。目前编码软件通常使用平均码率(即 ABR 来控制编码视频文件。在 ARB 模式下

5、,要求平均码率符合用户需求,整体视频的最大最小码率分别与 平均码率误差不大。通过公式(1预测当前编码帧的帧复杂度,根据码率控制经验公式(2来计算当前编码帧相应的量化系数 qpscale 。公式(2公式(2中, qComp 为线性量化控制参数 0.0为固定码率, 1.0为固定 量化值,默认值为 0.6。获得当前编码帧的量化系数后, x264中结合当前编 码帧之前已定编码的帧产生的比特数及缓存分配情况,来调解当前编码帧 的量化系数 qpscale 。根据之前编码帧预期分配的帧比特数与之前编码帧生 成的实际比特数的比例关系获得当前帧量化系数的调解变量rate_factor, 该变量与之前编码帧预期分

6、配的比特数曾递增变化,与之前编码帧实际生 成的比特数曾递减变化。当前编码帧量化系数的调解公式(3,通过该公 式结合之前已经编码帧的比特数来调解当前编码帧的比特数。通过之前编码帧预测比特数与实际比特编码的比例值来调解当前帧的 量化系数,达到生成预测比特数的目的。 x264码率控制机制,进一步通过 overflow 来进一步调解当前帧的量均分配的比特数为目标比特数与实际比 特数差值,来调解当前编码帧的量化系数 qpscale 。最后,由公式(4得 到量化步长。最近更新的x264代码,在编码帧的宏块级进行了量化步长的调解,针 对不同编码块复杂度进行适量量化步长调解,对编码效率有很大提高。2 码率变化

7、控制算法目前 x264代码在码率控制方面,如 VBR 码率控制方法中,对平均码率的控制较为理想,但对于单个码率的极限值来说,最大、最小码率偏差明 显,导致网络传输上的阻塞,视频播放质量。如图(1,可以看出, I 帧 (红色, P帧(蓝色产生的码率比特数起伏很大,导致码率瞬间变化的 直接原因。图 1根据 x264码率控制算法公式,通过帧复杂度计算的量化系数,通过当 前编码帧之前已定编码的帧产生比特数及分配缓存占有率情况,经过两次 调解当前编码帧的量化步长。也说明当前编码帧之前编码的帧所生成的比 特数直接影响其后的帧量化系数大小。因此,可以通过产生比特数少的的 QP 值来限制其后帧的量化系数浮动。

8、通过引用新的参数 avg_qp,编码过程 中记录每帧 MB 行的比特数(x264算法中有记录这一项的值,当编码到 1/2MB行时,累计记录行的总比特数,如果该比特数小于分配的目标比特数 的 1/2时,根据试验测试结果,设置 avg_qp=-2;之后该帧的 QP 值都加上 avg_qp,通过减小量化步长的方法,增大码率小的帧的比特数生成,在最 后一个 MB 行编码之前,累计总的比特数是否大于目标比特数,若大于,则 设置 avg_qp=2,增大量化步长来减少比特数。3 试验结果及JVT码率控制算法分析比较(下转第 74页 试验中使用 4:2:0320*240的视频格式,测试序列为 doom.yuv

9、 ,采 法,对码率控制效果较好,但目前的硬件处理能力还尚提高。随着实际运 用 ABR 的平均目标码率编码方式,比较本研究方法的编码效果及按照 JVT-用中的分辨率的提高,运动复杂性及场景变换的剧增, JVT 中的算法实时的 G016标准进行控制码率的结果比较。 JVT-G016规定的 H264码率控制算将视 处理编码效果严重下降。在工程运用中, x264的 H264码率控制算法运用更 频分三层进行码率控制,为 GOP 层的码率控制和帧层的码率控制及基本单元 为实际和普遍。图 2为新的算法的比特数量变化情况,可以看出单个帧的瞬 层码率控制。间码率平缓。表 1 doom.yuv序列测试结果4 结束

10、语本文根据 x264码率控制算法中,最大码率偏差较大,对部分宏块的量 化步长进行适当调解,来调解码率的平衡。试验结果分析,码率的极值有 一定程度的控制,而视频序列的 PSNR 值未受影响。参考文献:1赵平芳、刘冀伟、李擎, H.246/AVC中的码率控制方案及算法实现,计 算机工程, 2006, 32(20:233-234.2Yeung Shum,Andrew G. Tescher, Proc. of SPIE Vol. 5960(SPIE, Bellingham, WA, 2005: 525-534.3Loren Merritt and Rahul Vanam. X264: A HIGH P

11、ERFORMANCE H.264/AVC ENCODER.(1-12.4林楠 , 基于 X264的码率控制算法分析及其改进算法的研究 , 福建电脑, 图 22007(9:88-89.根据表 1可以看出,新算法在目标码率变化微小的情况下,最大码率 5袁炜、蒋建国、包先雨,一种改进的 H.264码率控制算法,计算机工程 比原来有所降低, PSNR 值未受影响。分层进行码率控制的 JVT-G016标准算与应用, 2007, 43(30: 85-87.(上接第 90页今年以来,围绕千亿级国家高新 建立项目推进机制,提升管理服 模。区建设,我区突出抓好园区基础设施 务能力。我区坚持“围墙内的事企业 今年

12、上半年,市定21项重点项目 建设,着力提升管理服务水平,以实 做,围墙外的事政府办”,对重点项 建设任务我区已完成36.11亿元,占投 现项目建设新突破。目实行一名区领导牵头、一套班子服 资总额的60%;全区新增规模以上企 加强基础设施建设,提升环境承 务、一本倒排工期推进台账的工作机 业17家,总数达到152家。载能力。按照市委、市政府提出的城 制 , 确 保 项 目 早 开 工 、 快 投 产 。 同 市建设示范区的要求,我区强化精品 时,建立重大项目建设奖励制度,对 意识,提升规划理念和建设品味,大 服务项目建设贡献突出的单位和个人 气魄、大手笔进行基础设施建设。上 给予通报表彰,并予以重奖。仅在服 半年,我