摘 要： 提出將整個(gè)聯(lián)合碼率控制算法分為幾個(gè)控制模塊，調(diào)整模塊算法不影響整體控制策略，從而算法更通用。對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)主要模塊：碼率預(yù)測(cè)、帶寬分配、量化參數(shù)選擇和緩存器控制的算法進(jìn)行了討論。最后給出了聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法。

    關(guān)鍵詞： 聯(lián)合碼率控制 模塊化 碼率預(yù)測(cè) 帶寬分配 量化參數(shù)選擇

    隨著視頻及其伴音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG－1、MPEG－2的制訂，以其為基礎(chǔ)的數(shù)字視頻系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣。今后，視頻業(yè)務(wù)將大幅度增多，在一傳統(tǒng)的固定帶寬信道內(nèi)，盡可能多地同時(shí)傳送多路經(jīng)MPEG壓縮的視頻節(jié)目的技術(shù)會(huì)日趨迫切。

    １ 聯(lián)合碼率控制技術(shù)概述

    當(dāng)多路可變碼率（VBR）編碼視頻節(jié)目在同一固定帶寬信道內(nèi)傳輸時(shí)，可利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)使各節(jié)目碼率相互補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)分配固定信道，充分利用信道資源。但它存在下列缺點(diǎn)：（１）統(tǒng)計(jì)復(fù)用遵循“大數(shù)定律”，只有復(fù)用的業(yè)務(wù)數(shù)目Ｎ足夠大（N＞10）時(shí)，各路碼率相互補(bǔ)償，才能產(chǎn)生高的統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益（見(jiàn)第3節(jié)）。若信道帶寬有限，同時(shí)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)目不多，則復(fù)用后總碼率波動(dòng)仍會(huì)較大，在固定帶寬信道中傳輸容易丟失數(shù)據(jù)。（２）統(tǒng)計(jì)復(fù)用雖可避免各業(yè)務(wù)峰值碼率直接累加，但因圖像內(nèi)容變化不能預(yù)知，故復(fù)用后總輸出碼率在某一時(shí)間段仍可能超過(guò)信道帶寬，致使傳輸過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)。特別是丟失重要信息（如包頭、DCT直流及低頻系數(shù)）時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響圖像甚至該圖像所在整個(gè)圖像組（GOP）的質(zhì)量。因此單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)不適用于同時(shí)傳輸較少視頻業(yè)務(wù)且對(duì)圖像質(zhì)量要求較高的數(shù)字視頻廣播領(lǐng)域。

    聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）綜合各路視頻節(jié)目統(tǒng)計(jì)數(shù)字量，對(duì)總的可用帶寬進(jìn)行統(tǒng)一分配，使復(fù)用后輸出的碼率不超過(guò)帶寬，不丟失數(shù)據(jù)，且各路節(jié)目質(zhì)量達(dá)到最佳。根據(jù)目前掌握的資料，聯(lián)合碼率控制技術(shù)尚處于研究階段，IBM、PHILIPS和DIVICOM等公司正開(kāi)展此項(xiàng)研究。

    與獨(dú)立控制MPEG固定碼率編碼中各節(jié)目的碼率不同，聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)對(duì)各編碼器實(shí)施聯(lián)合控制。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，各編碼器可設(shè)置為相同量化參數(shù)；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)到復(fù)用后的碼率超過(guò)信道帶寬時(shí)，就把有效帶寬按圖像復(fù)雜度重新分配，然后改變量化參數(shù)，使各編碼器輸出滿足目標(biāo)碼率。

    一些文獻(xiàn)介紹了各自的聯(lián)合碼率控制算法，但均存在一些缺欠，如：通過(guò)監(jiān)測(cè)信道緩存器的狀態(tài)調(diào)整碼率的算法[1]，由于緩存器狀態(tài)并不直接反映圖像變化，因此碼率調(diào)整會(huì)導(dǎo)致有相同復(fù)雜度圖像的質(zhì)量差別；應(yīng)用專用芯片的算法不能通用[2]；用前一GOP編碼結(jié)果預(yù)測(cè)碼率[3]，使帶寬分配滯后于圖像變化；按自定義的Super GOP（各路節(jié)目對(duì)應(yīng)GOP的組合）和Super Frame在Super GOP內(nèi)各節(jié)目對(duì)應(yīng)幀的組合）結(jié)構(gòu)分配帶寬[4]，未考慮Super GOP內(nèi)的圖像變化。雖然各算法對(duì)節(jié)目質(zhì)量有一定改善，但缺乏對(duì)圖像變化、帶寬分配、碼率控制和緩存器狀態(tài)的全面考慮，各節(jié)目質(zhì)量難以達(dá)到最佳。

    為此，本文首次提出模塊化聯(lián)合碼率控制算法，即將整個(gè)碼率控制分為幾個(gè)控制模塊，使模塊算法相對(duì)獨(dú)立且其調(diào)整不影響系統(tǒng)控制的策略，算法更通用，能適用不同的編碼芯片。

    ２ 模塊化控制算法

    系統(tǒng)可劃分為：碼率預(yù)測(cè)、帶寬分配、量化參數(shù)選擇和緩存器控制等幾個(gè)模塊。圖2只畫(huà)出了節(jié)目n與各控制模塊的關(guān)系，其它節(jié)目和控制模塊的關(guān)系與之相同。

    ２．１ 碼率預(yù)測(cè)模塊

    碼率預(yù)測(cè)模塊以選定的時(shí)間段（幀或GOP）為單位，提取各路視頻節(jié)目的統(tǒng)計(jì)信息。有兩種碼率預(yù)測(cè)方法：前向預(yù)測(cè)法[1][2]和反饋預(yù)測(cè)法[3]。前者是在圖像編碼前，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以提取統(tǒng)計(jì)數(shù)字量。可提取的統(tǒng)計(jì)數(shù)字量有多種，它們的選擇應(yīng)與編碼器輸出一定質(zhì)量圖像所需碼率密切相關(guān)。例如，統(tǒng)計(jì)數(shù)字量10表示編碼器輸出同等質(zhì)量圖像的碼率是統(tǒng)計(jì)數(shù)字量為5時(shí)的2倍。前向預(yù)測(cè)法對(duì)圖像復(fù)雜度變化和場(chǎng)景切換的反映迅速，但節(jié)目?jī)?nèi)容千差萬(wàn)別，活動(dòng)性與復(fù)雜度大不相同，要找到能適應(yīng)任何圖像內(nèi)容且與輸出碼率密切相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字量是個(gè)帶有挑戰(zhàn)性的工作。另外，實(shí)時(shí)前向預(yù)測(cè)需要預(yù)處理芯片，增加系統(tǒng)成本