hevc視頻編碼碼率控制技術研究 (1)

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1、第一章緒論第一章緒論1.1選題背景與意義隨著計算機網絡、通信技術及多媒體技術的發(fā)展，視頻相關應用變得越來越廣泛。HDTV、IPTV、網絡電視、可視電話等對人們日常生活的也起著越來越重要的作用。視頻信息相對于圖片、文字等具有生動、直觀等優(yōu)勢，而且數字化后的視頻信息也更易存儲、處理和傳輸。但是視頻數據往往十分巨大，視頻的存儲和傳輸給現有的存儲和通信系統帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以PAL制電視視頻為例，一秒鐘PAL視頻所需要33.2MB存儲空間，對于650MB的光盤來說，僅能存20s。若是直接存儲原始視頻數據，所需要的存儲空間

2、巨大，因此直接存儲是不切實際的；另外想要以25幀/s來傳輸此未經壓縮的視頻數據，數據的傳輸速率必須要達到216Mbps，顯然，以現在的通信技術直接傳輸不壓縮的視頻是不現實的。因此，必須利用視頻壓縮技術來降低視頻的存儲容量以及傳輸帶寬。為了統一視頻壓縮的技術規(guī)范和碼流格式，國際視頻組織制定了一系列的視頻編碼技術標準。在2013年1月，國際標準組織JCT-VC頒布了新一代的視頻編碼標準，即高性能視頻編碼（HighEfficiencyVideoCoding，HEVC）標準[1]。視頻數據一般可分為信息和冗余數據兩部分。

3、視頻數據中的冗余數據一般是相同或者相似信息的重復，因此可以通過去掉這些冗余信息達到視頻壓縮的目的。目前各種編碼標準都是有損壓縮，而且網絡通信的信道帶寬是有限和可變的，如果編碼后的碼流過大，超出了信道容量，那么視頻數據就丟失了；如果碼流過低，那么帶寬資源就被浪費了且無法獲得更高的視頻質量。因此為了在有限的帶寬下獲得最佳的視頻質量，就需要采用碼率控制技術。從根本上講，碼率控制就是在碼率和緩沖區(qū)的約束下，通過自適應調節(jié)編碼參數，使碼流與信道傳輸帶寬相適應，并且使視頻的失真最小[2]。碼率控制常常通過編碼參數QP進行調整

4、，使得實際碼率與目標碼率相接近。若量化參數QP較小視頻圖像中較多的細節(jié)信息可以被保留下來，但輸出碼率也會因此而較高；若量化參數QP較大，則碼率會降低，但此時視頻的質量也會隨之降低。因此碼率控制的目標并不是單一的，它涉及視頻質量和信道帶寬的折衷。碼率控制算法若合理，則不但能夠提高信道的利用率而且還能保證視頻的質量，因此碼率控制算法對視頻壓縮和傳輸具有非常重要的意義。隨著高清視頻內容的增多，視頻數1第一章緒論據量將會更加巨大，這就更需要精確的碼率控制算法能夠在一定的帶寬限制下保證視頻的質量。本文針對HEVC標準，研究

5、了如何精確控制碼率的問題。1.1國內外研究現狀MPEG-2[3]的TM5[4]算法、MPEG-4[5]的VM8[6]算法、H.263[7]的TMN8[8]算法以及H.264[9]的JVT-F086[10]、JVT-G012[11]和JVT-W042[12]是碼率控制中較為經典的算法。其中，JVT-G012碼率控制的效果較好，得到了廣泛的應用。為了解決單擊悖論，JVT-G012采用了線性平均絕對值（MAD）預測模型。對于目標比特分配，則采用了流量傳輸模型；對于編碼參數QP，則采用二次率失真模型計算。近十年來，國內外

6、相關學者針對視頻編碼標準中碼率控制算法提出了大量的改進算法和解決方案，其中主要針對JVT-G012碼率控制算法進行了改進。這些改進算法可以分為I幀碼率控制算法改進、P幀碼率控制算法改進和基于主觀的碼率控制算法等方面。接下來，將對各個方面具有一定代表性的改進算法進行介紹。（1）I幀碼率控制I幀的量化參數將對之后編碼幀量化參數的計算起到十分重要的作用，這是因為I幀是后續(xù)編碼幀的參考幀。如果I幀量化參數值較小，可能消耗比特數較多，那么很可能引起緩沖區(qū)上溢而出現大量跳幀，而且因為之后編碼的幀可用比特數減少，后續(xù)幀的質量可

7、能會隨之下降。若I幀量化參數較大，雖然I幀所用比特數減少，但是降低了I幀的質量，而且還會使后續(xù)編碼幀的質量也隨之降低。經典JVT-G012提案中第一個GOP的I幀和第一個P幀是以QP0編碼，而QP0是由兩個因素確定的，即GOP長度和信道帶寬，因此這種方法的缺點是沒有考慮圖像復雜度以及緩沖區(qū)的狀態(tài)。文獻[13]中在I幀編碼之前通過計算平均梯度來測量圖像復雜度，并基于梯度的圖像復雜度提出了一個自適應R-Qstep模型。此模型優(yōu)點是用梯度值來計算圖像復雜度，計算復雜度較小，而且更新模型參數時不需要對圖像進行預編碼，但此

8、模型的缺點在于沒有考慮緩沖區(qū)的狀態(tài)。文獻[14]提出了一種基于失真的I幀碼率預測模型（ADIE）。該文獻首先通過建立了Qstep與MSE之間的線性模型，然后利用亮度的直方圖差分來判斷場景是否發(fā)生變換，若發(fā)生場景變換，此幀就會被當作I幀進行編碼。該文獻提出的碼率控制模型同時考慮了圖像復雜度，緩沖區(qū)狀態(tài)和場景變換，不僅提高了碼率控制準確性，還可以使緩沖區(qū)的占用量更穩(wěn)定。但缺點