基于自适应二次模型视频编码码率控制的研究

DOI:10.16707/j.cnld.fjpc.2018.05.063

UJIAN COMPUTER

基于自适应二次模型视频编码码率控制的研究

林金发

(福州瑞芯微电子股份有限公司算法部福建福州350003)

【摘要】H.264常用的码率控制方法T.G012,依据视频时间相关性，根据已编码的若干编码单元的统计信息，通过 最小二乘法拟合得到R-Q曲线，由此计算所需编码比特数所对应的编码Qp。但是视频一直处于变化中，视频大概符合 越靠近的视频帧之间，相关性越大的规律，即R-Q曲线越相近，所以本文提出了一种算法，根据视频的远近关系和视频 的变化剧烈程度，自适应调整各个统计数据对计算当前R-Q曲线的权重，使得视频码率控制能适应更加快速的视频变 化情况。

【关键词】自适应二次模型；R-Q曲线;视频编码码率控制0引言

视频码率控制在视频实时传输中起到了关键作用，根据网 络带宽准确地调整编码参数，得到符合带宽的视频码率，可以 使得视频传输更加的顺畅。码率控制算法动态的调整编码参数 来达到编码码率稳定在一定的码率范围内。它包含GOP比特分配，帧级比特分配，R-Q (Rate-Quantization码率-量化参数)模型，宏块级码率控制。本文重点介绍并改进R-Q模型，达到 更好的适应视频特性，得到更加准确的码率控制方案。

基于块的视频编码方案，例如MPEG*和H.26*系列都属 于有损编码，它们的编码过程不仅达到了压缩视频冗余数据的 目的，同时也带来了质量上的损失。其中Qp(Quantization Pa­rameter 量化参数) 决定了有多少的图像细节能够被保留[1]。 当 Qp很小时，绝大多数的图像细节被保留，随着Qp的增加，更多 图像细节被量化误差所吞没，编码码率下降，但是代价是图像 的失真度增加，质量下降。Qp和Bits rate关系如图1所示。如 果想得到更低的码率，就需要更大的Qp值，同时伴随着失真的 增加。图2显示图像复杂度对Qp - Bits rate曲线的影响，随着 图像复杂度的增加，曲线向bits rate,Qp增加的方向移动。

其中％为数据，a为系数。误差：

£>(x,x) = (x-x)

视频码率控制是利用统计信息，建立比特率分配策略，建 立 Qp-Complexity-Bitrate 数学模型，提供 Bits rate 到 Qp 的计算方法，并提供宏块Qp调整的策略，最后不断的更新修正模型 的过程[2]。

1码率控制的理论依据

视频DCT变换中DCT系数符合拉普拉斯（Laplace)分布[3]。

七

)二昏e咖

⑴

(2)

由此得到R-D (Rate-Distortion率失真）方程：

g(^) R(D) = l〇

它的二次泰勒级数展开为：

+^-d

⑶

2+r3(d) (4)

忽略代数余子式R3(D)，并且D-Q满足线性关系，从而得 到R-Q模型：

(5)

其中a1，a2为模型系数，其中Rt是帧的texture bits，即 transform coefficient量化系数所编码出来的比特，Q (Quantiza­tion step) 是量化步长。

为了加强模型的准确性，增加系数MAD (Mean Absolute Difference平均绝对值误差），MAD是帧的平均绝对误差，残差 均值，更新R-Q模型为：

MAD x ax MADxa2(6)

Rt=R-Rh，其中Rh表示运动矢量编码的比特和头信息编码 的比特。上述公式可以表示为：

R-Rh _a, ^ a2 MAD 2二次模型的改进将上述模型重新表述为：

Q Q2上述公式即视频编码二次R-(?模型。

(7)

n

图2

视频复杂度对Qp - Bits rate曲线的影响

，丄+4丄1MAD MAD Q \\Q J

(8)

令y=R/MAD，x=1/Q，Rh/MAD为另一个系数a。。该公式可

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以表示为二次方程：

因此，利用自适应变换模型权重系数的方式，更好的排除

y = a0 ^ aYx^r a2x2

(9)这种干扰，使得各组统计数据的权重根据相关性自适应调节。

这里可以用参考帧与编码帧的平均绝对值误差MAD来表 根据之前已经编码的一组^个先验数据te，yz:)，〖=0，l，…，

n—1 〇

根据最小二乘法，令平方误差和最小：；EU-A)2，即(兄-(a+a

w

,2))2最小，其中Zx = S/=〇

兄，并根据数学

方法，即对a0，a1，a2分别求偏导为0:

(10)

(11)(12)

得到关于统计数据及系数的矩阵方程：

(13)

由于视频的相关特性，假设距离本帧越近的视频相关性越强，给每组数据加上权重，即：

ZX (兄-(«。切1 w

?炉

（14)

同样对系数求偏导后得到矩阵方程：

(15)

求解矩阵方程得到系数a〇，a1，a2的拟合值。 3自适应权重策略

由于不同视频序列的帧相关性跟视频本身的变化剧烈程 度相关，比如一个场景切换特别快的视频，其帧与帧之间的变 化剧烈，相关性小，而背景不动的序列往往帧与帧之间变化小， 相关性更大。例如foreman序列中第100,105,110帧相关性较 大，而第200,205,210帧由于镜头转动，内容变化剧烈，帧间相 关性减少。

图

3视频相关性的变化

当帧与帧之间的相关性更大的情况下，本文所建立的统计 模型就更加有效，能够准确的估计出编码比特数所要的量化系 数。但是在场景变化剧烈的情况下，距离太远的帧的R-Q特性 对当前帧不具参考意义，反而使得模型的准确度受到破坏。

示帧的相关性，MAD越小说明帧的差别小，相关性强，反之，相关性弱。

^

(16)

其中i，是n个统计数据的索引，与当前编码帧最近的为0,

最远的为n-1。

wb取值为：

wb =

川，(办=〇，_.，5) (17)

b的值根据mad的比值计算得到：

其中I•取值为：

----mad

r=

mad-, madn < mad^c

p

(18)

madpma c ,mad p > mad

c其中mad。是当前帧预测平均绝对值误差，madp是上一帧

平均绝对值误差。

4试验结果

使用标准视频测试序列bus_cif.yuv以及coastguard_cif.yuv 进行改进算法和原来的JM码率控制算法效果进行对比测试， 使用200 kbps 30 fps进行编码，得到如下结果。

图

4视频序列bus_cif的测试结果

图

5视频序列coastguard_cif的测试结果（下转第123页）

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2.3系统的实现1)

界面设计。整个系统的界面设计呈现WINDOWS传统风

格，界面简单，易学易用，无需经过培训即可开始考试。学生系 统的登录如图2所示，考试系统主界面如图3所示。

2)

随机出题的实现。随机出题是整个系统设计的难点之

一，下面是该功能实现的主要源代码：

Private Sub Form2_Load (ByVal sender As System.Object,

ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load

hh = 0 : mm = 50 : ss = 0

(hh)、分(mm)和秒(ss)

Dim temp, n As IntegerFor i = 1 To max1

的数量

num(i) = i

题目序号

NextRandomize() For i = 1 To max temp = num(i) num(i) = num(n) num(n) = temp Next i

Fori=1 To max1 filename(i) = file Next i

tbn.Text = index ori = index

FileOpen (index, filename (index), OpenAccess.Read,

OpenShare.LockWrite) ’读取题目文件并显示在考试界面的文本 框中

Do Until EOF(index)

ori = ori + LineInput(index) + vbCrLf Loop

‘获得对应的题目文件名

file = \"q\\\" + CStr(num(i)) + \".txt\"

‘使用随机数函数随机抽取题号‘max变量为总题目数

n = Rnd() * (max1 - 1) + 1

‘使用num⑴数组存储具体的

‘ max1为本次考试使用题目

‘初始化时间变量小时

COMPUTER

tbq.Text = ori FileClose(index)End Sub

3系统测试及运行效果分析

该系统于2016年起在我校各专业文献检索课程考试中进 行运行测试，考试系统预先存放于服务器中，学生考试时自行 下载，进行答题。整个系统运行比较稳定，效果良好。取题正常， 从50道题中随机抽取单项选择题20题，多项选择题10题，填 空题10题，判断题10题，系统约需1~ 2s，该时间取决于服务 器及网路配置情况。

通过调查显示学生对该考试系统普遍反应较好，认为使用 该系统在一定程度上杜绝了考试作弊的发生，而且无需提前熟 悉考试环境，简单易用。

另外，随着计算机和通讯技术特别是网络技术的发展，各 高校图书馆纷纷加大了电子资源的采购力度，各高校图书馆电 子资源也日益变得丰富起来。文献检索课程考试方式的改变也 在一定程度上促进了学生对电子资源的使用和学习。

4结束语

该系统的投入使用大大降低了考试成本，从而提高了工作 效率，为文献检索的教师提供了一种简单易用的考试手段。客 观题的自动评判在一定程度上保持了考试的公平和公正性，尤 其受到学生和教师的欢迎。当然系统也存在一些缺陷，比如对 于文献检索课程来说主观题的考核也是重点之一，因此如何在 系统中增加主观题的评判将是以后研发的重要内容，今后我们 还将对其进一步完善，使其日趋成熟。

参考文献：

[1] 杨明秋.Web2.0在文献检索课“5E”教学模式中的应用[J].情报科 学，Vol . 27，No. 1 January，2009:66—69

[2] 肖自红，张祖平.基于.NET的试题库与在线考试系统研究[J].计 算机与数字工程，Vol. 36 No. 3,2008年第3期：136—139

作者简介：

石文华:女，1969 -，硕士学位，副教授，主要从事计算机教学与科 研工作。

(上接第125页）

bus_cif.yuv的测试结果如图4所示，可以看出，本文提出

的算法具有更好的稳定性。没有产生过冲现象。

标准测试序列coastguard_cif.yuv的测试结果如图5所示， 同样本文提出的改进算法比原算法具有更好的稳定性。

5结语

本文根据视频的时间相关性特性提出了一种改进的自适 应权重码率控制R-Q模型，该模型对比原模型具有更好的码 率控制平稳性。

参考文献：

[1]毕厚杰.新一代视频压缩编码标准---H.264/AVC[M].北京:人民

邮电出版社，2005:22—35.

[2] ZHENGGUO LI, FENG PAN, KENG PANG, Adaptive Basic Unit Layer Rate Control for JVT, Joint Video Team (JVT) of ISO/IEC MPEG & ITU—T VCEG[S], 7—14 March, 2003.

[3] CHIANG T, ZHANG Y. Q. A new rate control scheme using quadratic rate distortion model. IEEE Trans, on Circuits and Systems for Video Tech. [].1997,7(1):246—250.

作者简介：

林金发（1982-)，男，硕士，工程师，研究方向为：图像与视频处理、 计算机视觉等。

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