HEVC碼率控制技術(shù)的研究進(jìn)展

郭紅偉，朱 策，周益民

(1.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731；2.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731； 3.紅河學(xué)院 工學(xué)院，云南 蒙自 661100)

0 引 言

高效視頻編碼(high efficiency video coding，HEVC) 也稱作H.265，是由運(yùn)動(dòng)圖像專家組(moving pictures experts group，MPEG)和視頻編碼專家組(video coding experts group,VCEG)聯(lián)合成立的工作組(joint collaborative team on video coding,JCT-VC)制定并頒布的最新一代視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。基準(zhǔn)檔次已于2013年1月正式發(fā)布。HEVC[1]采用了靈活的編碼單元(coding unit, CU)和變換單元(transform unit,TU)四叉樹(shù)劃分結(jié)構(gòu)，以及許多先進(jìn)的編碼工具，使HEVC相對(duì)于上一代視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC在相同主觀質(zhì)量下，其編碼效率提升顯著，可節(jié)省近一半碼率。

碼率控制 (rate control, RC)使編碼器輸出碼流滿足傳輸信道帶寬限制或存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)空間的需求，在流媒體傳輸[2]的各種應(yīng)用場(chǎng)景中是編碼系統(tǒng)不可缺少的重要模塊。長(zhǎng)期以來(lái)，被廣泛研究。每一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都推薦了相應(yīng)的碼率控制算法并集成在測(cè)試模型中，如MPEG-2的TM5, H.263的TMN8，MPEG-4的VM8和H.264/AVC的JM。值得注意的是，碼率控制并不是視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。它相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)有著更大的靈活性和實(shí)用性。針對(duì)不同的視頻應(yīng)用系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)與之契合的碼率控制策略。因此，每一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)頒布后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，其相關(guān)的碼率控制技術(shù)都將成為研究關(guān)注的熱點(diǎn)。例如2003年發(fā)布的上一代視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC距今已有約15年，近幾年仍然有許多針對(duì)H.264/AVC碼率控制技術(shù)的相關(guān)研究[3-6]。HEVC標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，研究人員很早就開(kāi)展了針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制技術(shù)研究。最近5年已涌現(xiàn)出大量的研究成果。本文是對(duì)HEVC碼率控制技術(shù)研究的綜述，歸納和分析最新的研究進(jìn)展，討論該方向值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。前幾代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)碼率控制技術(shù)的討論可參考文獻(xiàn)[7]，針對(duì)H.264/AVC碼率控制技術(shù)的討論可參考文獻(xiàn)[8-9]。

1 碼率控制概述

實(shí)際應(yīng)用的視頻編碼系統(tǒng)要根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備可提供的存儲(chǔ)空間、傳輸信道可提供的傳輸帶寬等設(shè)置編碼器的輸出碼率。碼率控制通過(guò)選擇編碼參數(shù)，使編碼器的輸出碼率等于預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)碼率，同時(shí)最小化編碼失真，可表述為嚴(yán)格碼率約束下的最優(yōu)化問(wèn)題：

(1)

(1)式中：{Para}表示編碼參數(shù)集合；D是編碼失真，通常用均方誤差(mean square error，MSE)表示；R和Rtar分別是編碼器輸出碼率和目標(biāo)碼率。

碼率控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為2個(gè)部分：比特分配和比特控制。視頻通信中由于編碼器輸出碼流的比特率不可能和通信信道的帶寬完全一致，所以在編碼端和解碼端都會(huì)設(shè)置先入先出的緩存器用于平滑碼流。比特分配過(guò)程通常是根據(jù)緩存器充盈度和視頻序列特性為每一個(gè)圖像組(group of pictures, GOP)、每一幀或每一個(gè)基本單元分配適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)比特；比特控制過(guò)程是通過(guò)估計(jì)的碼率模型由目標(biāo)比特計(jì)算量化參數(shù)或拉格朗日乘子進(jìn)行編碼，使編碼輸出的比特?cái)?shù)盡可能逼近或等于預(yù)先分配的目標(biāo)比特。

圖1 碼率控制的框圖Fig.1 Block diagram of rate control

2 HEVC推薦的碼率控制

HEVC標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中推薦過(guò)2種碼率控制算法，提案JCTVC-H0213的URQ(unified rate-quantization)模型碼率控制算法[10]和提案JCTVC-K0103的R-λ模型碼率控制算法[11]。本節(jié)從碼率模型和比特分配策略2個(gè)方面分別對(duì)它們進(jìn)行介紹。

2.1 URQ模型碼率控制算法

2.1.1 碼率模型

JCTVC-H0213通過(guò)分析HEVC的四叉樹(shù)劃分結(jié)構(gòu)和模式選擇中的率失真優(yōu)化(rate distortion optimization, RDO)過(guò)程，提出了基于像素的二次R-Q模型，即URQ模型，表示為

(2)

(2)式中：R是碼率，用每像素的比特?cái)?shù)bpp(bit per pixel)表示，等于編碼單元的編碼比特?cái)?shù)除以其像素?cái)?shù)；MAD(mean absolute difference)是預(yù)測(cè)編碼單元的平均絕對(duì)誤差，用于度量編碼單元的復(fù)雜度；Qstep是量化步長(zhǎng)，可由QP直接度量；α和β是二次模型的參數(shù)，每編碼完一個(gè)編碼單元后更新。

在H.264/AVC和HEVC的編碼過(guò)程中，使用RDO進(jìn)行編碼決策，其執(zhí)行碼率控制的編碼過(guò)程如圖2所示。RC輸出QP，然后使用QP進(jìn)行RDO以獲得所有的編碼參數(shù)及MAD，最后進(jìn)行熵編碼輸出編碼碼流。由這一編碼過(guò)程發(fā)現(xiàn)，RC與RDO相互關(guān)聯(lián)，即RC需要RDO后獲得的MAD度量編碼復(fù)雜度，而RDO過(guò)程又需要RC后確定的QP進(jìn)行。這就是二次R-Q模型中著名的“蛋雞悖論”。為了解決碼率控制過(guò)程中的“蛋雞悖論”，引入了MAD的線性預(yù)測(cè)模型，使用先前已編碼幀的實(shí)際MADactual來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前待編碼幀的MADpred，或使用先前已編碼幀對(duì)應(yīng)位置編碼單元的實(shí)際MADactual來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前待編碼幀中編碼單元的MADpred，如(3)式所示。

MADpred=a1×MADactual+a2

(3)

(3)式中，a1和a2為線性模型參數(shù)，初始值為1和0，每編碼完一幀后采用最小二乘方法更新。

圖2 執(zhí)行碼率控制的編碼過(guò)程Fig.2 Encoding process under rate control

2.1.2 比特分配

JCTVC-H0213的比特分配過(guò)程與H.264/AVC中JVT-G012的比特分配策略相類似，根據(jù)目標(biāo)碼率、幀率等信息，再利用虛擬緩存器的漏桶流量往返模型為GOP、幀、基本單元分配目標(biāo)比特。為簡(jiǎn)化公式表述，設(shè)目標(biāo)碼率Rtar恒定，即恒定碼率(constant bit rate, CBR) 控制。則編碼第i個(gè)GOP的第j幀前，第i個(gè)GOP的剩余目標(biāo)比特為

(4)

(4)式中：FR是幀率；NGOP是一個(gè)GOP中的幀數(shù)；Vi(j)是虛擬緩存器的充盈度，用漏桶流量往返模型計(jì)算；Bi(j-1)是編碼第i個(gè)GOP的第j-1幀前，第i個(gè)GOP中剩余目標(biāo)比特；bi(j-1)是編碼第i個(gè)GOP中第j-1幀消耗的實(shí)際比特。

幀級(jí)碼率控制在編碼前為待編碼幀確定一個(gè)合適的QP，根據(jù)編碼幀的不同分為3種處理方式，GOP的第一幀和非參考幀的量化參數(shù)直接由已編碼幀的實(shí)際QP和緩存器狀態(tài)等信息計(jì)算。其他待編碼參考幀的QP由(2)式通過(guò)編碼幀的目標(biāo)比特計(jì)算得到，幀級(jí)目標(biāo)比特由2部分加權(quán)確定，一部分基于GOP中剩余比特計(jì)算，另一部分基于GOP級(jí)緩存器充盈度和緩存器目標(biāo)水平等信息計(jì)算。第i個(gè)GOP中第j幀的目標(biāo)比特表示為

(5)

基本單元級(jí)碼率控制僅在非GOP第一幀的參考幀中進(jìn)行，基本單元為一個(gè)LCU (largest coding unit)。待編碼LCU的目標(biāo)比特同樣由2部分加權(quán)確定，一部分基于當(dāng)前編碼幀中剩余比特計(jì)算，另一部分基于幀級(jí)緩存器充盈度等信息計(jì)算。第j幀中第m個(gè)LCU的目標(biāo)比特表示為

(6)

2.2 R-λ模型碼率控制算法

R-λ模型碼率控制算法是2012年10月JCT-VC第11次會(huì)議上由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李斌等提出，技術(shù)細(xì)節(jié)呈現(xiàn)在提案JCTVC-K0103之中。在碼率控制精度和編碼性能上他們的方法都較URQ模型碼率控制有較大提高。從HM-9.1版本開(kāi)始，R-λ模型取代了URQ模型，作為HEVC標(biāo)準(zhǔn)推薦的碼率控制算法。不同于以往碼率模型建立碼率與QP的函數(shù)關(guān)系，JCTVC-K0103建立碼率與拉格朗日乘子λ的函數(shù)關(guān)系。比特控制過(guò)程根據(jù)分配給待編碼幀或LCU的目標(biāo)比特，利用R-λ模型計(jì)算用于率失真優(yōu)化的拉格朗日乘子λ，繼而由λ再換算出QP[11,14]。

2.2.1 碼率模型

圖3是視頻編碼的率失真曲線，隨著碼率R增大，編碼失真D單調(diào)減小。由于編碼器可選參數(shù)集有限，故實(shí)際可操作的R-D曲線是離散的，為了便于分析和應(yīng)用，通常用函數(shù)建模R-D曲線。李斌等通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)提出(7)式所示的R-D模型能較好地描述HEVC編碼器率失真特性。

D(R)=CR-K

(7)

根據(jù)率失真優(yōu)化理論，拉格朗日乘子λ是編碼視頻率失真曲線上某一點(diǎn)切線斜率的絕對(duì)值。理論上每一個(gè)拉格朗日乘子唯一地對(duì)應(yīng)一組碼率和失真，能極好地用于控制編碼比特，λ域的碼率模型為

?αRβ

(8)

(7)—(8)式中：R仍然是用每像素的比特?cái)?shù)bpp表示；C和K是與序列特性相關(guān)的模型參數(shù)；α和β的初始值分別為3.200 3和-1.367。編碼過(guò)程中，每編碼完一個(gè)LCU或一幀后，利用編碼信息進(jìn)行參數(shù)更新，更新公式為

(9)

αnew=αold+δα×(lnλreal-lnλcomp)×αold

(10)

βnew=βold+δβ×(lnλreal-lnλcomp)×lnRreal

(11)

(9)—(11)式中：帶下標(biāo)“real”的量表示編碼中實(shí)際的拉格朗日乘子和編碼比特；δα和δβ是與編碼目標(biāo)bpp相關(guān)的常量，用于調(diào)節(jié)公式收斂速度。李斌等[15]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，擬合出λ與最佳QP的關(guān)系，其計(jì)算公式為

QP=4.200 5×ln(λ)+13.712 2

(12)

圖3 率失真曲線Fig.3 Curve of rate distortion

為了減小編碼視頻質(zhì)量的波動(dòng)，計(jì)算的λ和QP都會(huì)根據(jù)已編碼幀或LCU的實(shí)際λ值和QP值被截?cái)嗟揭粋€(gè)較小范圍內(nèi)。

2.2.2 比特分配

R-λ模型碼率控制算法的比特分配，在GOP層引入一個(gè)滑動(dòng)窗SW來(lái)表示緩存器平滑碼流的作用。GOP層、幀層和基本單元層的目標(biāo)比特分別由 (13)—(15)給出。

(13)

(14)

(15)

(16)

(13)—(16)式中：RPicAvg表示視頻序列平均每幀的比特?cái)?shù)；TGOP，TPic，TLCU分別是分配給GOP、編碼幀、編碼單元的目標(biāo)比特?cái)?shù)；Coded表示編碼已消耗的比特?cái)?shù)；BitH表示編碼幀的頭信息；ω表示編碼幀或LCU的比特分配權(quán)重。為改善碼率控制下視頻編碼的質(zhì)量，對(duì)基于率失真模型的碼率控制方法，給各層編碼單元分配恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)比特和建立精確的碼率模型都是至關(guān)重要的。然而，JCTVC-K0103主要關(guān)注于建立λ域的碼率模型，幀層比特分配權(quán)重ωPic簡(jiǎn)單地根據(jù)不同編碼配置時(shí)GOP的結(jié)構(gòu)和編碼目標(biāo)bpp事先設(shè)定為固定比值，LCU層比特分配權(quán)重ωLCU則根據(jù)估計(jì)的MAD值進(jìn)行計(jì)算。

3 HEVC碼率控制研究進(jìn)展

碼率控制技術(shù)隨著視頻編碼技術(shù)的發(fā)展不斷演變。較早的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.261和MPEG-1中簡(jiǎn)單地利用緩存器狀態(tài)反饋來(lái)調(diào)節(jié)編碼量化步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)碼率控制。H.263，MPEG-4，H.264/AVC，HEVC以及中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS等推薦的碼率控制算法中都不同地應(yīng)用了碼率模型。QP和λ在視頻編碼中都具有非常重要的影響，編碼器在選擇其他編碼參數(shù)時(shí)需要事先設(shè)定編碼單元的QP和λ。一般而言，碼率控制大致流程都是首先為待編碼單元分配目標(biāo)比特，而后根據(jù)碼率模型計(jì)算編碼QP或拉格朗日乘子λ進(jìn)行編碼。本節(jié)首先對(duì)碼率模型進(jìn)行分類，然后依據(jù)使用的碼率模型，從Q域和λ域?qū)鼛啄瓿霈F(xiàn)的HEVC碼率控制技術(shù)進(jìn)行歸納和分析。

3.1 依據(jù)碼率模型的分類

主要的碼率模型有R-Q模型，即建立碼率R與量化參數(shù)QP之間的函數(shù)關(guān)系，比如前文所述的URQ模型。還有另一種碼率模型稱為R-ρ模型，即在碼率R和預(yù)測(cè)變換量化后零系數(shù)的比例ρ之間建立函數(shù)關(guān)系，文獻(xiàn)[16]最早提出R和ρ之間可以近似地用線性關(guān)系建立模型。因?yàn)棣雅c量化步長(zhǎng)Qstep有著非常緊密的關(guān)聯(lián)，由ρ可以直接得到編碼的QP，因此，R-ρ模型實(shí)際上是建立了R和QP之間的間接關(guān)系。本文把基于R-Q模型和基于R-ρ模型的碼率控制統(tǒng)稱為Q域的碼率控制算法。提案JCTVC-K0103提出的R-λ模型碼率控制是建立碼率與拉格朗日乘子λ之間的函數(shù)關(guān)系，本文把其稱為是λ域的碼率控制算法。Q域的碼率控制由碼率模型計(jì)算得到QP，再由QP計(jì)算確定λ；而λ域的碼率控制由碼率模型計(jì)算得到λ，再由λ計(jì)算確定QP。最終，由率失真優(yōu)化確定其他編碼參數(shù)。

3.2 Q域的碼率控制算法

文獻(xiàn)[17-33]在Q域討論HEVC的碼率控制。文獻(xiàn)[17] 提出一種幀級(jí)的碼率控制策略，其建立QP與碼率及QP與失真的模型，使用已編碼幀的信息更新模型參數(shù)并計(jì)算待編碼幀的QP進(jìn)行碼率控制。HEVC采用多層靈活的塊劃分預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，減少了預(yù)測(cè)殘差，使模式、運(yùn)動(dòng)矢量等非殘差信息在碼流中的占比越來(lái)越大，QP直接決定殘差信息的編碼比特，而對(duì)非殘差信息影響相對(duì)較小。考慮到上述特性，文獻(xiàn)[18]對(duì)預(yù)測(cè)殘差和碼流中的非殘差信息分別建立碼率模型，進(jìn)行幀級(jí)的碼率控制。文獻(xiàn)[19]在ρ域分析，建立基于幀間依賴關(guān)系的失真模型和碼率模型進(jìn)行幀級(jí)的碼率控制。大部分針對(duì)HEVC的碼率控制研究可歸納為如下主要方面。

1)多層比特控制策略。

比特控制單元可以是GOP、幀、幀內(nèi)子區(qū)域和基本編碼單元，支持的比特控制單元越小，則碼率控制越精細(xì)。使用多層比特控制能提高碼率控制精度，但由于控制單元越小，其率失真模型估計(jì)越不精確，在使用基本編碼單元比特控制提高碼率控制精度的同時(shí)可能引起編碼失真的增大。公式(1)所示碼率約束下的最優(yōu)化問(wèn)題可以建立在GOP級(jí)或幀級(jí)，對(duì)應(yīng)的求解問(wèn)題即為幀級(jí)最優(yōu)比特分配和基本單元級(jí)最優(yōu)比特分配。文獻(xiàn)[20-22]在Q域討論了LCU級(jí)的比特控制。

2)基于模糊控制理論的碼率控制。

由于視頻內(nèi)容和編碼幀參考結(jié)構(gòu)的變化，很難獲得精確的待編碼幀碼率模型，使傳統(tǒng)依據(jù)R-Q模型計(jì)算量化參數(shù)控制編碼比特方法的控制精度降低。模糊控制器在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不存在或模型太復(fù)雜的情況下，能借助經(jīng)驗(yàn)型語(yǔ)言知識(shí)完成控制任務(wù)[34]。已有基于模糊控制理論的碼率控制方法被視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納，并集成在參考測(cè)試軟件中[35]。文獻(xiàn)[23-26]應(yīng)用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了幀級(jí)的HEVC碼率控制，控制過(guò)程中不需要建立精確的碼率模型，如文獻(xiàn)[24]利用模糊控制器根據(jù)緩存器的充盈度和前一個(gè)GOP的實(shí)際編碼比特與目標(biāo)比特的差值輸出當(dāng)前待編碼GOP的基礎(chǔ)QP，然后根據(jù)HEVC分級(jí)編碼的策略，為當(dāng)前GOP中不同層的幀在基礎(chǔ)QP上加一定的補(bǔ)償值確定幀層QP進(jìn)行編碼。

3)可變碼率(variable bit rate，VBR)控制。

大部分研究都主要關(guān)注和討論CBR控制。VBR控制可由幾段不同目標(biāo)碼率的CBR組成。VBR控制通常是求解緩存器充盈度約束下的編碼優(yōu)化問(wèn)題，其優(yōu)化目標(biāo)是獲得編碼質(zhì)量相對(duì)恒定的壓縮視頻，優(yōu)化公式可表述為

(17)

此外一些Q域的碼率控制算法，如文獻(xiàn)[31-32]關(guān)注于Q域碼率模型和失真模型的估計(jì)，文獻(xiàn)[33]基于URQ模型設(shè)計(jì)了感興趣區(qū)域編碼，有關(guān)感興趣區(qū)域編碼將在下一小節(jié)λ域的碼率控制中詳細(xì)介紹。

3.3 λ域的碼率控制算法

文獻(xiàn)[36-66]是在R-λ模型框架下的碼率控制研究。JCTVC-M0257[36]針對(duì)Intra幀的控制，提出對(duì)8×8的像素塊做哈達(dá)瑪變換，然后利用SATD (sum of absolute transformed differences)度量編碼單元的復(fù)雜度，并修改了Intra幀的R-λ模型和比特分配策略，該方法已被采納進(jìn)HEVC的R-λ模型碼率控制算法中。針對(duì)JCTVC-K0103的比特分配策略，JCTVC-M0036[37]在λ域的碼率模型和失真模型分析框架下，利用率失真優(yōu)化理論提出自適應(yīng)的比特分配方法，改善了算法的碼率控制精度和率失真性能，該方法被集成進(jìn)HM-11.0及以后版本的測(cè)試軟件中，其詳細(xì)的理論分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)[38]。文獻(xiàn)[39-40]在λ域討論了恒定編碼質(zhì)量的碼率控制。其他λ域的文獻(xiàn)主要從如下幾方面展開(kāi)研究。

3.3.1 精確率失真模型及最優(yōu)比特分配

盡管JCTVC-K0103提出的R-λ模型算法在碼率控制精度和編碼率失真性能方面優(yōu)于JCTVC-H0213的URQ模型和其他許多Q域的算法，但其模型精度和穩(wěn)定性仍然不夠，特別是LCU級(jí)的R-λ模型很不準(zhǔn)確，LCU級(jí)的比特控制很大程度上依賴于對(duì)參數(shù)λ和QP的限制條件，文獻(xiàn)[41-43]改進(jìn)了模型參數(shù)更新方法，文獻(xiàn)[44-47]使用二次編碼以獲得精確的模型參數(shù)。碼率約束下的優(yōu)化問(wèn)題就是要根據(jù)編碼控制單元的編碼復(fù)雜度、失真依賴關(guān)系等特性為各級(jí)編碼控制單元分配適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)比特，所以，大部分λ域的碼率控制研究都在討論比特分配問(wèn)題。如文獻(xiàn)[48]研究GOP級(jí)的比特分配。文獻(xiàn)[49-53]主要研究幀級(jí)的比特分配，其中，文獻(xiàn)[49]通過(guò)分析參考幀的失真對(duì)當(dāng)前待編碼幀編碼失真的影響，再利用已編碼幀編碼信息估計(jì)待編碼幀的內(nèi)容復(fù)雜度，進(jìn)行幀級(jí)的目標(biāo)比特分配。文獻(xiàn)[54-58]主要研究LCU級(jí)的比特分配。文獻(xiàn)[59]同時(shí)討論了幀級(jí)和LCU級(jí)的比特分配問(wèn)題。

3.3.2 主觀編碼質(zhì)量為指導(dǎo)的碼率控制

PSNR，MSE等客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)具有計(jì)算簡(jiǎn)單、便于比較等特點(diǎn)，通常作為編碼失真的度量標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)碼率控制。然而，這些客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)與人類視覺(jué)系統(tǒng)(human visual system, HVS)的特性并不完全一致。隨著視頻質(zhì)量評(píng)估、目標(biāo)檢測(cè)與分割等技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了許多基于主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的碼率控制技術(shù)。如文獻(xiàn)[44, 55-56]用SSIM度量失真，指導(dǎo)比特分配進(jìn)行碼率控制。人們觀看視頻時(shí)，通常對(duì)場(chǎng)景中的一些區(qū)域關(guān)注度高，對(duì)一些區(qū)域關(guān)注度低。例如會(huì)話視頻，人們對(duì)人臉具有更多的關(guān)注度，提高人臉區(qū)域的編碼質(zhì)量能有效改善用戶主觀體驗(yàn)[67]，把關(guān)注度高的區(qū)域稱為感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)。為改善主觀編碼質(zhì)量，優(yōu)化目標(biāo)可設(shè)為在碼率約束下使ROI的編碼失真相對(duì)最小，優(yōu)化公式表述為

(18)

3.3.3 針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境的碼率控制

不同應(yīng)用環(huán)境下的視頻編碼系統(tǒng)對(duì)碼率控制有不一樣的約束條件和優(yōu)化目標(biāo)。盡管已有許多碼率控制相關(guān)的理論研究，對(duì)于一些特定應(yīng)用環(huán)境的視頻編碼系統(tǒng)仍然需要優(yōu)化或設(shè)計(jì)新的碼率控制算法。如文獻(xiàn)[60]是針對(duì)視頻通信中會(huì)話視頻應(yīng)用的碼率控制，文獻(xiàn)[65]是針對(duì)空中機(jī)載視頻編碼系統(tǒng)的碼率控制，文獻(xiàn)[66]是為X265編碼器設(shè)計(jì)支持并行處理的碼率控制等。

需要指出的是，以上歸納的幾個(gè)研究方面并不是各自獨(dú)立的，碼率控制一般同時(shí)涉及多個(gè)研究方面。例如，3.2節(jié)的多層比特控制策略與3.3節(jié)的精確率失真模型及最優(yōu)比特分配就是緊密相關(guān)的。

3.4 HEVC擴(kuò)展及其碼率控制

HEVC第一版于2013年1月發(fā)布以后，JCT-VC繼續(xù)開(kāi)展其擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，包括格式范圍擴(kuò)展(format range extension, RExt)、屏幕內(nèi)容編碼擴(kuò)展(screen content coding extension, SCC)、可伸縮視頻編碼擴(kuò)展(scalability extension, SHVC)；并且于2012年7月成立了另一個(gè)聯(lián)合工作組JCT-3V(joint collaborative team on 3D video)致力于三維擴(kuò)展3D-HEVC(3D extension)和多視點(diǎn)擴(kuò)展MV-HEVC(multiview extension)的制定工作[68]。盡管HEVC擴(kuò)展均是基于HEVC框架開(kāi)發(fā)的，但HEVC推薦的R-λ模型碼率控制算法并不能被直接應(yīng)用。隨著HEVC擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)相繼完成，已出現(xiàn)了一些針對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制方法。如文獻(xiàn)[69-72]針對(duì)SHVC，文獻(xiàn)[69]把HEVC中的的R-λ模型框架擴(kuò)展到SHVC，文獻(xiàn)[70-71]則在文獻(xiàn)[69]的碼率控制框架下研究了SHVC中的最優(yōu)比特分配問(wèn)題，文獻(xiàn)[72]在λ域設(shè)計(jì)SHVC中恒定編碼質(zhì)量的碼率控制；文獻(xiàn)[73- 74]針對(duì)SCC的特性修改了R-λ模型碼率控制的比特分配策略；文獻(xiàn)[75-77]針對(duì)3D-HEVC和MV-HEVC提出相應(yīng)的碼率控制策略。

除了以上分析歸納的研究方面，近年還出現(xiàn)了一些新策略。如文獻(xiàn)[29] 把v支持向量回歸 (v-support vector regression, v-SVR)應(yīng)用到HEVC碼率控制設(shè)計(jì)中，改善了編碼視頻質(zhì)量的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[57]使用文獻(xiàn)[78]提出的時(shí)域傳播鏈模型指導(dǎo)LCU級(jí)比特分配，提升了編碼器率失真性能。

4 總結(jié)與展望

HEVC推薦R-λ模型碼率控制算法集成在測(cè)試軟件HM中，但其并不是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容。碼率控制作為視頻編碼系統(tǒng)不可缺少的重要模塊，研究人員可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境自由的設(shè)計(jì)碼率控制策略。本文歸納分析了HEVC碼率控制的最新研究進(jìn)展，首先，介紹了HEVC標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中接收的2種碼率控制算法，即URQ模型碼率控制算法和R-λ模型碼率控制算法；然后，從Q域和λ域?qū)瓿霈F(xiàn)的碼率控制技術(shù)分別分析歸納；最后，還簡(jiǎn)要介紹了HEVC擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的碼率控制技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，視頻編碼系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境決定了碼率控制算法的設(shè)計(jì)策略，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)募s束條件和優(yōu)化目標(biāo)是開(kāi)發(fā)碼率控制算法的關(guān)鍵。

目前，大多數(shù)碼率控制技術(shù)的平均碼率控制精度已經(jīng)達(dá)到1‰以內(nèi)，盡管如此，HEVC的碼率控制仍然有許多值得進(jìn)一步討論和具有挑戰(zhàn)性的研究?jī)?nèi)容。

1)建立精確的碼率模型和失真模型。大多數(shù)碼率控制算法采用基于模型的控制策略，在多層比特控制中，需要分別估計(jì)幀級(jí)和LCU級(jí)的率失真模型。目前，無(wú)論是Q域還是λ域的模型精度及穩(wěn)定性都還需進(jìn)一步提高，特別是LCU級(jí)的模型參數(shù)更新具有較大挑戰(zhàn)性。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，在視頻編碼領(lǐng)域已出現(xiàn)了一些基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network, CNN)的編碼技術(shù)[79-80]。文獻(xiàn)[79]利用全連接網(wǎng)絡(luò)改善了幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼；為了實(shí)現(xiàn)更精確的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，文獻(xiàn)[80]提出基于CNN的半像素插值濾波方法減少了幀間預(yù)測(cè)殘差。把深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到碼率控制中，基于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的模型估計(jì)方法是一個(gè)值得探討的工作。改善的模型將有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)比特分配、精確的比特控制和視頻質(zhì)量控制。

2)面向全局率失真優(yōu)化的碼率控制。在碼率約束下，根據(jù)視頻特性為編碼控制單元分配恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)比特以求達(dá)到全局最優(yōu)的率失真性能是編碼優(yōu)化的最終目標(biāo)。根據(jù)HEVC的分級(jí)編碼結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[81-82]把文獻(xiàn)[78] 的H.264時(shí)域?qū)用嫦嚓P(guān)的率失真優(yōu)化擴(kuò)展到HEVC的時(shí)域率失真編碼優(yōu)化中。恰當(dāng)?shù)匕褧r(shí)域傳播因子結(jié)合到碼率控制的比特分配，必將在碼率控制的同時(shí)提高編碼器的率失真性能。

3) HEVC擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制。目前針對(duì)HEVC擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的碼率控制研究還比較有限，很有必要根據(jù)各擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的特性研究相應(yīng)的碼率控制策略。

4)視頻轉(zhuǎn)碼的碼率控制。視頻轉(zhuǎn)碼是指在同一編碼標(biāo)準(zhǔn)中把高碼率的碼流轉(zhuǎn)換成低碼率的碼流，或?qū)Σ煌幋a標(biāo)準(zhǔn)的碼流進(jìn)行轉(zhuǎn)換。目前市場(chǎng)應(yīng)用中主要涉及H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)的碼流到HEVC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)碼過(guò)程可以獲得編碼視頻的一些信息，如何有效利用這些信息進(jìn)行轉(zhuǎn)碼碼率控制也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

值得關(guān)注的HEVC碼率控制相關(guān)研究并不僅限于以上所列內(nèi)容。正如過(guò)去15年研究人員持續(xù)關(guān)注H.264/AVC的碼率控制一樣，HEVC相關(guān)的碼率控制技術(shù)也會(huì)持續(xù)作為視頻編碼研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

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