摘　要：提出了一種h．263低碼率視頻壓縮編碼的自適應(yīng)碼率控制方法，這種方法可以用fpga來實現(xiàn)，為了達到實時性的要求，對硬件實現(xiàn)的具體方法進行了優(yōu)化。所提出的碼率控制優(yōu)化方法已在h．263標準的硬件系統(tǒng)中實現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：fpga；h．263標準；碼率控制；視頻壓縮；幀層

1　引言

　　輸出比特速率的控制是影響h．263低速率視頻編碼的一個重要問題，控制的好壞直接關(guān)系到解碼圖像的質(zhì)量與編碼器輸出比特速率的穩(wěn)定性。itu-th.263[1]建議本身對這部分算法是開放的。到目前為止，已提出了若干種比特速率的控制算法［2～4］。這些算法可以分為兩類，一類為前饋比特速率控制，另一類為反饋比特速率控制。前饋控制算法通過對各編碼單位編碼輸出比特數(shù)的預(yù)測，或用試驗迭代的方法，來確定相應(yīng)的量化步長，其主要弱點是常常需要很大的計算量，使得其應(yīng)用受到明顯的限制，因而很少被采用。相對來說，反饋控制算法的計算量是可以接受的，并已被廣泛應(yīng)用。itu-t相繼推出的tmn5模型和tmn8［2］模型就是一種反饋比特速率算法。tmn8是在tmn5的基礎(chǔ)上提出的，具有優(yōu)異的控制效果，很多試驗表明，以tmn8實現(xiàn)的系統(tǒng)可以穩(wěn)定地鎖定在既定碼率上，碼率的上下波動小于10％，并且tmn8模型的算法實現(xiàn)起來也不復(fù)雜。

　　本文針對h．263視頻編碼器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)itu-t視頻編碼模型tmn-8中標準的碼率控制算法，提出了一種采用fpga實現(xiàn)碼率控制的硬件方法，碼率控制分別在宏塊層和圖像層進行。首先闡述了h．263的碼率控制算法，然后介紹了硬件實現(xiàn)及優(yōu)化方法，最后給出了仿真的結(jié)果。

2　碼率控制算法

　　h．263系統(tǒng)的碼率控制分2個層次實現(xiàn)，一是改變量化步長，二是跳幀。碼率控制的過程可以用圖1來形象地說明。當控制器檢測到發(fā)送緩沖器中存放的碼流高于或者低于一定的門限時，控制器根據(jù)相應(yīng)的算法改變量化步長，使發(fā)送緩沖器中的碼流穩(wěn)定在一定的數(shù)量。當編碼器產(chǎn)生碼流的碼率很大，超出了量化器的控制范圍，將采用跳幀的方法來解決。

　　改變量化步長，是微觀的宏塊級控制，控制量是量化步長因子q。h．263標準規(guī)定：q分為32級，其值分別為0～31。q越小，量化越精細，圖像質(zhì)量就越高，而產(chǎn)生的碼流也越長。一個宏塊內(nèi)具有相同的q，所以對于q來說最小的變化單位是宏塊。當一個宏塊編碼結(jié)束時，如果截至到目前編碼器所產(chǎn)生的碼流小于一個門限，那么碼率控制模塊就根據(jù)一定的算法減少q；而對于量化器來說，q變小則量化后的系數(shù)中非零系數(shù)增多，編碼器輸出的碼流就增加。如果截至到目前編碼器所產(chǎn)生的碼流大于一個門限，那么碼率控制模塊就增加q,q變大則量化后的系數(shù)中非零系數(shù)減少，編碼器輸出的碼流就減少。按照這種方法，在一定程度上使發(fā)送給發(fā)送緩沖器的碼流維持恒定，也就達到了控制碼率的目的。改變量化步長實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。根據(jù)統(tǒng)計的碼流比特數(shù)，通過復(fù)雜的計算，在每個宏塊結(jié)束時，計算下一個宏塊的量化步長因子q（qp）。用ptype表示幀類型，幀類型為幀內(nèi)幀時用i幀表示，否則用p幀表示。

　
　　其中，mean＿qp為上一幀每個宏塊平均的量化步長；bits＿prev＿pic為上一幀產(chǎn)生的比特數(shù)；target＿bpf為上一幀結(jié)束時計算出來的本幀應(yīng)該產(chǎn)生的比特數(shù)；target＿bpf＿prev為上一個target＿bpf；bits＿prev＿macro為本幀截至當前宏塊所產(chǎn)生的比特數(shù)；mbnum為已編碼宏塊在本幀所有宏塊中所占的比例，用小數(shù)表示；target＿bps是設(shè)定的發(fā)送碼率。

　　對于跳幀算法，是實現(xiàn)宏觀的幀級控制，控制量是tr。tr以跳幀或不跳幀來達到減少或增加碼流的目的。一幀編碼結(jié)束時，根據(jù)當前發(fā)送緩沖器內(nèi)的比特數(shù)與跳幀的門限進行比較，判斷是否需要跳幀。如果發(fā)送緩沖器內(nèi)的比特數(shù)大于跳幀的門限時，說明發(fā)送緩沖器已經(jīng)不能接受更多的碼流了，所以接下來的幀不用編碼，發(fā)送緩沖器用空出的時間來發(fā)送碼流，減少庫存，這樣就發(fā)生了跳幀；反之，則不需要跳幀。值得注意的是在整個過程中，從發(fā)送緩沖器發(fā)出的碼流一直是按照一定的速率發(fā)出的，也就是說碼率是恒定的，改變的是發(fā)送緩沖器的庫存。

　　跳幀的控制量是h．263標準碼流中幀頭的tr。tr是一個8位的指示位，表明了本幀的序號，范圍是0～255，當超過255時，從0重新開始。在一般沒有跳幀的情況下，tr是連續(xù)地從0～255變化。但當發(fā)生跳幀時，tr將發(fā)生不連續(xù)地跳變。如：當前幀的tr是112，在當前幀結(jié)束時計算得出下一幀要跳幀，那么等待跳幀結(jié)束后的下一幀的tr是115。這樣譯碼器可以知道δtr是3（δtr代表譯碼器對當前幀的顯示次數(shù)），那么譯碼器就將本幀圖像顯示3次，即跳了2幀。

　　跳幀是在每一幀編碼結(jié)束時發(fā)生的。這時，統(tǒng)計完這一幀共產(chǎn)生的比特數(shù)（用bits＿prev＿pic表示）、上一幀結(jié)束時發(fā)送緩沖器的比特數(shù)（用bits＿in＿buffer表示）。跳幀門限用threshold表示，threshold等于設(shè)定的發(fā)送碼率（target＿bps）除以設(shè)定的幀頻（target＿fps）的商，threshold必須是個整數(shù)。