引言：本文在h.264碼率控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于平均絕對差(mad)比率的跳幀算法。該算法將圖像的mad比率和緩沖器占用量作為跳幀判別標(biāo)準(zhǔn)，為運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像保留緩沖器空間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法一方面可以有效地降低緩沖器的占用量和節(jié)省編碼時(shí)間，從而在硬件方面表現(xiàn)為降低對緩沖器大小等方面的要求，達(dá)到降低成本的目的；另一方面，可以保證圖像序列連續(xù)性和提高圖像質(zhì)量。

　　大多數(shù)視頻壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的比特率都是可變的，為了能夠在恒定比特率的通信信道和網(wǎng)絡(luò)中傳輸，需要在碼率控制中引入一個(gè)緩沖區(qū)機(jī)制，先將壓縮后的碼流存入緩沖區(qū)，然后以恒定碼率輸出。因此，碼率控制的任務(wù)就是在保證緩沖器不產(chǎn)生上溢和下溢的前提下，通過調(diào)整一些編碼參數(shù)(如量化參數(shù))來使編碼比特率達(dá)到期望值。

　　跳幀策略是碼率控制算法中防止緩沖器上溢的手段。以往的跳幀算法往往確定某一個(gè)固定的限值(通常為80%)[1]，當(dāng)緩沖器的占用量到達(dá)這個(gè)限值時(shí)，不考慮下一幀的任何情況就把它跳過。這種跳幀算法的缺陷有兩點(diǎn)：當(dāng)緩沖器占用量達(dá)到80％時(shí)盲目地跳過下一幀，有可能錯(cuò)過運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像而導(dǎo)致譯碼后圖像序列質(zhì)量的下降；當(dāng)緩沖器占用量未達(dá)到80%，但卻很接近80%時(shí)，如果下一幀圖像運(yùn)動(dòng)比較劇烈的話，較多的編碼比特?cái)?shù)就會(huì)導(dǎo)致緩沖器發(fā)生嚴(yán)重的上溢。

　　本文提出了基于mad比率的跳幀判斷準(zhǔn)則，將當(dāng)前緩沖器的占用量與每一幀圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度結(jié)合起來，對緩沖器的占用量設(shè)定幾個(gè)閾值，并且用mad比率來對每幅圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度進(jìn)行標(biāo)識。對于某個(gè)mad比率的圖像來說，當(dāng)緩沖器占用量達(dá)到跳幀判別準(zhǔn)則中規(guī)定的閾值時(shí)，即將該幀跳過。這樣就可以通過跳過一些運(yùn)動(dòng)平緩的圖像，而為運(yùn)動(dòng)劇烈的圖像保留緩沖器空間，從而保證圖像序列的連續(xù)性，提高圖像質(zhì)量。

　　碼率控制算法

　　幀層的碼率控制算法

　　幀層的碼率控制分為兩個(gè)階段：第一階段為每一個(gè)p幀計(jì)算一個(gè)目標(biāo)比特?cái)?shù)，第二階段持續(xù)地更新率失真模型的各個(gè)參數(shù)并且進(jìn)行跳幀控制。

　　假設(shè)只有一組圖像(gop)，并且圖像序列的編碼順序是第一幀為i幀，后面為連續(xù)的p幀。假設(shè)n表示組圖中所有幀的數(shù)目，nj表示組圖中的第j幀，bc(nj)表示編碼第j幀圖像后緩沖器實(shí)際的占用量，a(nj)表示編碼第j幀時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，bs表示緩沖器大小，tbl(nj)表示第j幀被編碼后緩沖器的目標(biāo)值，rr表示剩余比特?cái)?shù)，nr表示組圖中剩余的幀數(shù)。因此，第j＋1幀圖像被編碼后緩沖器的實(shí)際占用量bc(nj+1)可以表示為[2][3]：

假設(shè)第一個(gè)p幀的量化參數(shù)等于組圖的量化參數(shù)，所以有：

其它p幀被編碼后緩沖器的目標(biāo)值由下式給出：

因此，考慮緩沖器占用量而得到的目標(biāo)比特?cái)?shù)tbuff可以表示為：

其中g(shù)ama是個(gè)常量，它的值通常為0.75。

考慮剩余比特?cái)?shù)而得到的目標(biāo)比特?cái)?shù)tr可以表示為：

所以，最后的目標(biāo)比特?cái)?shù)t可以通過tbuff和tr的加權(quán)和得到：

試驗(yàn)中β＝0.5[2]。

宏塊層的碼率控制

　　在宏塊層，根據(jù)每一個(gè)宏塊的mad來給每一個(gè)宏塊分配比特?cái)?shù)并且求出量化參數(shù)。宏塊層的碼率控制分為三個(gè)步驟：首先為每一個(gè)宏塊分配比特?cái)?shù)；其次根據(jù)目標(biāo)比特?cái)?shù)計(jì)算出量化參數(shù)；最后在對每一個(gè)宏塊編碼后，進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測。

a.比特?cái)?shù)的分配

　　假設(shè)nm表示一幀中宏塊的個(gè)數(shù)，ave_mad表示一幀圖像中各個(gè)宏塊的mad的平均值，mad[i][j]表示第i幀中第j個(gè)宏塊的mad。因此第i幀中第j個(gè)宏塊所分配的目標(biāo)比特?cái)?shù)b[i][j]可表示為：

b.計(jì)算各個(gè)宏塊的量化參數(shù)

率失真函數(shù)是許多碼率控制算法的核心，它將量化參數(shù)q與編碼比特?cái)?shù)r聯(lián)系起來，其關(guān)系式為：

　　其中s表示宏塊的編碼復(fù)雜度，x1和x2是率失真模型參數(shù)。q值較小時(shí)，分配較多的編碼比特?cái)?shù)；q值較大時(shí)，則分配較少的編碼比特?cái)?shù)。

c.模型參數(shù)的預(yù)測

在對每一個(gè)幀進(jìn)行編碼后，都要根據(jù)前面n幀的編碼結(jié)果對模型參數(shù)(x1、x2)進(jìn)行更新。由上式可以得出：

　　最小均方誤差可以表示為：

　　該等式成立的條件是：(a)n>1，(b)所有的n個(gè)q值不完全相同。

　　基于mad比率的跳幀算法

　　在恒定比特率應(yīng)用中，編碼器和傳輸信道間的緩沖器起了十分重要的作用。編碼器應(yīng)該使緩沖器的占用量保持在50％左右。如果緩沖器發(fā)生上溢，則會(huì)損失一些數(shù)據(jù)。相反，如果緩沖器的占用量過低就會(huì)浪費(fèi)帶寬。當(dāng)緩沖器的值很高時(shí)，避免上溢的方法就是跳過一個(gè)完整的幀。

　　由以往的經(jīng)驗(yàn)可以知道，大多數(shù)的跳幀過程都是由于緩沖器上溢引起的。與緩沖器的目標(biāo)值即緩沖器大小的一半相比較，實(shí)際中緩沖器發(fā)生上溢的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生下溢的可能性。緩沖器的占用量低于緩沖器大小25％的情況是非常少見的。因此，有必要把緩沖器的占用量控制在50％左右，以保證緩沖器的占用量有足夠的上升空間。

　　下面詳細(xì)介紹一下基于mad比