一種適合硬件實(shí)現(xiàn)的H.264/AVC宏塊級(jí)碼率控制算法

王 佳，殷海兵，周冰倩

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

碼率控制算法是在碼率受限的條件下，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)來優(yōu)化視頻質(zhì)量。假如沒有進(jìn)行碼率控制，當(dāng)通過有限的信道帶寬傳送壓縮的比特流時(shí)，緩沖區(qū)就會(huì)上溢或者下溢。在視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，有幾種碼率控制算法已經(jīng)被推薦作為參考算法，比如MPEG－2的TM5、H.263的TMN8、MPGE－4的VM8、H.264AVC 的G012 以及一些改進(jìn)算法［1－2］。

目前，大多數(shù)碼率控制算法是基于軟件實(shí)現(xiàn)的，且太過復(fù)雜而不能很好地適合硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一些MPEG－2或H.263的碼率控制算法已經(jīng)有人提出了硬件實(shí)現(xiàn)方案［3］。針對(duì)H.264/AVC提出的碼率控制算法參考提案G012更為復(fù)雜，其直接硬件實(shí)現(xiàn)需要大量的門電路。而對(duì)于那些已經(jīng)提出的，并且需要388.53—1 140 k門電路的H.264/AVC視頻編碼器來說，G012的硬件消耗非常大。Wu等人［4］提出了一種適合硬件實(shí)現(xiàn)的碼率控制算法。本文在H.264/AVC編碼器Zigzag宏塊編碼順序和宏塊級(jí)流水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用時(shí)域和頻域的相關(guān)性，提出了新的低復(fù)雜度MAD預(yù)測(cè)算法，解決了硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)依賴問題。

1 碼率控制硬件實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)

通常硬件編碼器的實(shí)現(xiàn)面臨兩個(gè)問題，數(shù)據(jù)吞吐和存儲(chǔ)帶寬。為了提高數(shù)據(jù)處理效率，硬件編碼器通常采用Zigzag宏塊順序和宏塊級(jí)流水結(jié)構(gòu)，二者結(jié)合導(dǎo)致碼率控制算法實(shí)現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。并且G012算法MAD預(yù)測(cè)模塊的高復(fù)雜度會(huì)消耗大量的硬件資源。

1.1 Zigzag宏塊編碼順序和宏塊級(jí)流水

硬件編碼器為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的水平和垂直復(fù)用，通常采用Zigzag［5］宏塊編碼順序代替軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)的光柵掃描順序。編碼順序的改變導(dǎo)致數(shù)據(jù)的水平和垂直的依賴關(guān)系有所改變，如圖1所示，每3個(gè)宏塊行采用Zigzag宏塊編碼順序。

H.264/AVC硬件編碼器宏塊級(jí)通常采用3級(jí)或者4級(jí)的流水結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在宏塊流水開始前，通過碼率控制(RC)模塊獲取Qp，依次經(jīng)過整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)(IME)，亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)/幀內(nèi)預(yù)測(cè)(FME/INTRAL)，熵編碼/去塊效應(yīng)濾波(EC/DB)3級(jí)流水［6］。故編碼MBn宏塊時(shí)，MAD值只能依賴于MBn－2及之前已編碼的宏塊預(yù)測(cè)得到。

1.2 G012碼率控制算法 MAD預(yù)測(cè)

在H.264/AVC的碼率控制算法G012中，采用線性預(yù)測(cè)的方法計(jì)算MAD，公式為

式中:參數(shù)a1和a2采用線性回歸的方法進(jìn)行更新。

參數(shù)a1和a2的計(jì)算如公式［4］為

其計(jì)算復(fù)雜度很高，如果直接采用硬件實(shí)現(xiàn)，會(huì)消耗大量的硬件資源。

2 改進(jìn)的碼率控制算法

2.1 改進(jìn)碼率控制算法結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文提及的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)，該改進(jìn)碼率控制算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。幀級(jí)采用G012算法，然后通過宏塊自適應(yīng)調(diào)整模塊和Qp決策模塊對(duì)得到每個(gè)宏塊的量化參數(shù)。Zigzag編碼條件下幀級(jí)和宏塊級(jí)碼率控制如圖3所示。從圖中可知，在Zigzag條件下，G012算法幀級(jí)碼率控制率失真性能好于宏塊級(jí)碼率控制，同時(shí)也說明了G012幀級(jí)碼率控制獲取的Qp是相對(duì)準(zhǔn)確的。并且考慮到硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐和存儲(chǔ)帶寬問題，基于CPU的幀級(jí)碼率控制的實(shí)現(xiàn)每幀只需通過總線與編碼器交互1次數(shù)據(jù)，對(duì)如高清編碼器可以大大降低數(shù)據(jù)吞吐。圖4中陰影部分模塊是本文重點(diǎn)改進(jìn)的部分，幀級(jí)和宏塊級(jí)MAD預(yù)測(cè)，宏塊量化參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模塊，如后文中的式(4)，(5)，(6)，(7)所示。

由于幀內(nèi)宏塊的復(fù)雜度不同，根據(jù)觀察部分宏塊MAD值相差很大，故通過宏塊自適應(yīng)模塊更加精細(xì)地調(diào)整量化參數(shù)，而不產(chǎn)生視頻質(zhì)量的波動(dòng)，同時(shí)降低緩沖區(qū)的波動(dòng)。公式(4)中QPM［i］為當(dāng)前幀的幀級(jí)量化參數(shù)，QPU［i］和 QPL［i］分別表示自適應(yīng)調(diào)整值，二者相差不超過2。公式(5)計(jì)算幀級(jí)MAD預(yù)測(cè)值(MADP，F(xiàn))和宏塊級(jí)MAD預(yù)測(cè)值(MADP，M)的MADratio值。最后通過公式(6)計(jì)算宏塊量化參數(shù)，其中a，b通過Matlab計(jì)算分別得到1.217 3和0.816 0。為了適合硬件的移位計(jì)算，近似規(guī)整為a等于155/128，b等于105/128。

2.2 改進(jìn)MAD預(yù)測(cè)

2.2.1 幀級(jí)MAD預(yù)測(cè)

為了降低G012碼率控制算法中MAD線性預(yù)測(cè)部分參數(shù)更新的復(fù)雜度，本文幀級(jí)MAD直接采用前3幀MAD(n－1)，MAD(n－2)，MAD(n－3)來預(yù)測(cè)當(dāng)前幀MAD(n)的值。根據(jù) Matlab計(jì)算得到 a，b，c分別為1.054 4，0.053 0，0.109 5，規(guī)整后分別為 135/128，7/128，15/128。Foreman，Carphone，Miss，News測(cè)試序列 MAD 預(yù)測(cè)值和實(shí)際值如圖5所示，預(yù)測(cè)誤差如表1所示。

圖5 Foreman，Carphone，Miss，News 的 MAD 值預(yù)測(cè)

表1 MAD預(yù)測(cè)誤差

2.2.2 宏塊級(jí)MAD預(yù)測(cè)

由于Zigzag宏塊編碼順序和宏塊流水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，并考慮到周圍宏塊和當(dāng)前編碼宏塊MBC的相關(guān)性，選擇當(dāng)前編碼宏塊的上方宏塊MBU和左邊宏塊MBL，如圖6所示。其中陰影表示前1編碼幀相對(duì)位置的宏塊。采用這4個(gè)宏塊的MAD值，并考慮到邊界情況和3級(jí)流水特性，來預(yù)測(cè)MBC的MAD值。預(yù)測(cè)流程圖如圖7所示，其中加權(quán)系數(shù)通過Matlab計(jì)算得到，a，b，c分別為3/4，7/8，4/5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本算法基于JM10.2參考模型，搭建每3個(gè)宏塊行采用Zigzag宏塊編碼順序和宏塊流3級(jí)水模型，在該模型上仿真本文提出的碼率控制算法。分別在60 kbit/s，80 kbit/s，100 kbit/s，120 kbit/s 目標(biāo)碼率下測(cè)試了低速News序列，高速Foreman和Carphone序列，以及復(fù)雜序列Mobile。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和表2所示。經(jīng)計(jì)算，本文提出的算法平均PSNR提高了0.12 dB，幀級(jí)MAD預(yù)測(cè)精度也有所提高，解決了硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)依賴問題，且適合硬件實(shí)現(xiàn)。

圖8 Foreman，Carphone，News，Mobile 序列率失真曲線

表2 本文算法與G012算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

［1］呂振斌，王惠南.一種H.264基本單元層的碼率控制算法［J］.電視技術(shù)，2009，33(S1):45－47.

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