几种码率控制技术研究进展

摘要：码率控制技术对提高和平滑解码视频质量起着至关重要的作用。近年来各种视频编码标准和应用都对码率控制技术进行了大量的研究，如基于H.261和H.263的视频会议，基于MPEG-1和MPEG-2的媒体存储，以及最新的基于MPEG-4视频对象编码。本文首先对码率控制问题进行了基本描述，然后介绍了目前的三类码率控制技术：基于DCT视频编码器的码率控制技术、基于小波视频编码器的码率控制技术和精细粒度可分级视频编码的码率分配算法，并对这三类码率控制方法的发展进行了概括性阐述与比较性研究，讨论了各种算法的基本思想及其优缺点，最后视频传输中的码率控制技术的未来发展趋势进行了展望。

关键词：视频传输 率失真 码率控制 缓冲器

1 引 言

随着视频编码技术在媒体存储、视频点播、监控系统等诸多领域中越来越多的广泛应用，一系列视频编码标准被提出并应用于实际，像ISO/IEC的MPEG-1/2/4，H.261，H.263等，这些标准对码流的语法结构进行了规定，而码率控制的具体算法则大多是开放的，算法的性能直接影响视频通信的质量，作为提高视频编码图像质量的一项关键技术，码率控制技术的发展已引起人们的广泛关注[1]。

码率控制的作用是保证编码比特的合理分配，以适应网络传输或媒体存储等应用的需求，按照输出比特率是否恒定可分为CBR和VBR两种。设计码率控制算法除了能够避免溢出，还能够提供每帧图像更好的视频质量，而且可以避免视频质量的过大波动。这里主要是针对在CBR信道下传输压缩码流时的码率控制技术现状的研究。

2 码率控制问题基本描述

码率控制是视频编码的重要组成部分。一般来讲，它的实现过程包括比特分配、量化系数计算和缓冲器控制等部分。比特流经常要通过有限带宽的通信信道进行传输，而编码器会产生可变码流，所以有必要在编码器和信道之间设置视频缓冲器来平滑编码过程中的比特流波动，避免缓冲器出现上溢或下溢，设置合适的码率控制算法是必需的。

码率控制问题的解决可以归结为对其进行公式化的过程，通常有两种不同的失真准则可用来度量公式化的码率控制问题 ，一是最小化GOP内平均失真；二是最小化GOP内的失真变化。

3 基于DCT视频编码器的码率控制技术

目前，大部分的码率控制技术都是适用于基于DCT视频编码器的，而码率控制中的关键问题是估计或模型化视频编码器的码率-失真(R-D)行为。采用率失真技术的目的是防止缓冲器溢出并最大化视频质量。基于DCT视频编码器的R-D行为由它的码率-量化(R-Q)与失真-量化(D-Q)函数来描述，R-Q与D-Q函数统称为R-D函数。根据码率失真函数自变量的不同，将基于DCT视频编码器的码率控制技术分为q域码率控制技术和ρ域码率控制技术[2]。

4 基于小波视频编码器的码率控制技术

小波编码器具有非常优秀的编码性能，在静止图像压缩中已被广泛应用。小波编码器不仅能提供更好的图像主观质量，而且还具有嵌入式特性。嵌入式编码器能提供更好的率失真折衷，它可以在码流的任何点处截取编码比特流而没有明显的可感知的失真。对于嵌入式视频编码器的一个简单码率控制机制就是为每个I帧、P帧和B帧分配固定的比特数，然而该简单机制并不能获得最优的R-D性能。

5 精细粒度可分级视频编码的码率分配算法

由于网络视频应用的飞速发展和网络带宽的时变特性，快速的码率分配和比特流截断技术对于视频流传输十分重要。以DCT为基础的精细的可伸缩性( FGS)视频编码已经被MPEG-4 作为流式应用的标准而采纳， FGS方案能够灵活地适应网络带宽的波动。利用FGS编码可产生一个可分级的比特流，其基本层旨在适应最低的网络带宽要求，而FGS增强层由于采用了位平面编码技术，可根据需要在任意比特位置截断，并且解码的视频质量与用于解码的比特数成正比。它把增强层可用的比特数平均地分给各帧 。由于这种方法没有考虑各帧图像的率失真特性。使得接收端解码的视频质量存在很大波动[3]。

6 未来展望

确定合适的编码参数以便在某固定信道码率下获得最优的解码视频质量是人们设计码率控制算法的根本宗旨。尽管已经出现了许多有效的码率控制方案，但人们对于视频编码图像质量的要求却越来越高，使得码率控制方法有待进一步发展和完善，未来码率控制技术将会得到进一步的发展。

(1)更加精确的率失真模型

码率控制中的关键问题是估计或模型化视频编码器的率失真模型，现有文献中已经提出一些率失真模型 ，但这些模型通常假定信源服从高斯分布或拉普拉斯分布，当实际视频不满足假设条件时，模型的准确性就会受到影响，并进一步导致算法性能的下降。有必要提出更加精确的率失真模型，使其适合多种视频编码器，并能准确地反映出实际的视频序列的率失真特性。

(2)对场景切换的处理

在实时视频应用场合，视频序列的复杂度是不断变化的。为了适应视频序列中出现场景切换的情况，出现了动态调整GOP大小的方法和检测场景变换的方法，对发生场景变换的图像进行特殊处理。但这些方法通常不够准确，并且计算复杂度也很大。因此能够提出更加准确的场景检测方法及给发生场景变换的图像分配合适的比特数是项非常有意义的工作。

(3)基于小波视频编码器的码率控制算法

对小波视频编码器的码率控制算法要比基于DCT视频编码器的码率控制方法相对简单一些，更便于调节。相对于MPEG的码率控制研究，针对小波视频编码器的码率控制研究数量还非常少，随着小波变换在视频编码和视频信息传输方面的应用，这方面的工作将成为一个研究热点。

(4)面向精细粒度可分级视频编码的码率分配

算法视频编码的最初目标是为了在给定的码率下达到最优的解码质量，然而由于近几年Internet上视频服务的增加，使得视频编码的目标除了追求最佳的视频质量外还越来越注重视频编码的可伸缩性。设计适合各种精细粒度可分级视频编码方案的码率控制算法，在基本层与增强层间划分比特数，在增强层合理地分配比特数，使其既能达到可分级的要求又能获得更令人满意的视频效果是有待解决的具有重要研究价值的问题。

(5)低比特率下的实际通信应用的码率控制算法

在通信网络上设计多媒体应用的主要挑战是如何传输最小的多媒体流给用户[4]。视频会议、在线点播等实际通信应用都要求低码率下具有低延迟及低复杂度的码率控制技术。基于拉格朗日最优化的方法已经存在于大量的文献中，但这些算法的复杂度一般都很高。简化这些算法复杂度，使其适应实时低比特率下的实时通信应用，具有很高的理论和商业价值。

参考文献

【1】沈兰荪，视频编码与低速率传输.电子工业出版社，2001年

【2】Iain E. G. Richardson. H.264/MPEG-4 Part White Paper-Inter Prediction.2004.3

【3】马思伟，高文等，H.264、AVC的码率控制算法.电子学报，2004,32（12）:2024-2027

【4】A.H.萨达卡，压缩视频通信.科学出版社，2004:29-36