視頻編碼控制技術(shù)

1、視頻編碼控制技術(shù) -作者：王翔昊 學(xué)號：2001181051005 教學(xué)站：湖南兵大 摘 要：本文簡要介紹了視頻編碼中的編碼控制技術(shù)，著重分析了編碼速率、圖像失真和計算復(fù)雜度之間的關(guān)系，以及基于這一分析的幾種具體的編碼控制方法。關(guān)鍵字：失真控制，速率控制，技術(shù)機復(fù)雜性控制 為了有效地保證視頻編碼信息的互通，大多數(shù)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（如H.263、MPEG-2/4、H.264/AVC等）僅規(guī)定了編碼的基本方法、比特流的語法結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的解碼過程。而對于具體的編碼過程則充分開放，允許實現(xiàn)者靈活地處置。在視頻壓縮編碼中起重要作用的編碼控制技術(shù)也位于其中。編碼參數(shù)的控制，如幀模式、宏塊模式、運動矢量、量化步長

2、等，直接關(guān)系到編碼產(chǎn)生的比特數(shù)，關(guān)系到重建視頻的質(zhì)量，關(guān)系到視頻編碼器的復(fù)雜程度。一前言傳輸環(huán)境、處理器能力等實際因素會對視頻編碼的比特率和圖像質(zhì)量形成種種限制。為了在這些條件限制下，達到最佳的壓縮性能，對視頻編碼過程進行控制是非常必要的。編碼控制的目標(biāo)就是在實際傳輸比特率的限制下，以最小的計算復(fù)雜度來獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。失真控制，速率控制，即率-失真優(yōu)化（Rate Distortion Optimization），其目標(biāo)就是在一定的傳輸率限制的條件下，取得最好的圖像質(zhì)量。近來，視頻編碼的可變復(fù)雜度算法（VCA：Variable Complexity Algorithm）可以使開發(fā)者能夠控

3、制計算復(fù)雜度，駕馭處理資源。新的算法在保證最小失真的前提下，聯(lián)合控制比特率和計算復(fù)雜度，這就是算法復(fù)雜度控制。在這三種控制中，圖像質(zhì)量，或失真大小的控制是最終的目標(biāo)，但往往難以直接達到；速率控制和計算復(fù)雜度控制是為獲得最好圖像質(zhì)量服務(wù)的，可以直接控制它。本文以下部分簡要介紹視頻編碼控制中的這三項主要控制技術(shù)。雖然是分別討論這三種的控制，但實際上它們是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，不能將它們割裂開來看待。二、失真控制在傳統(tǒng)的率失真分析中，失真的控制只和速率有關(guān)，因而失真控制和上述的速率控制實質(zhì)是相同的，這里只是從另一個角度來分析而已。1. 率失真性能視頻編解碼器的率失真性能提供了一種在一定編碼比特率范圍

4、內(nèi)對圖像質(zhì)量的度量。對于給定的壓縮比特率，測量解碼序列的最小失真，就獲得率失真曲線。圖像失真是用峰值信噪比（PSNR）來度量的。比較小的Q值產(chǎn)生比較高的編碼比特率和比較低的圖像失真，實際上還必須考慮時間失真。例如，丟幀所引起的幀間“跳動”，當(dāng)幀率低于10幀時，“跳動”的現(xiàn)象就十分顯眼了.。2. 率失真的優(yōu)化為了達到在目標(biāo)數(shù)據(jù)率的條件下使傳輸?shù)囊曨l信號的失真最小，在編碼比特率和圖像失真之間必需選擇一個恰當(dāng)?shù)恼壑?。這就是信息論中的率失真問題，可描述如下：在保證比特率R不超過最大比特率Rmax的條件下，使失真D達到最小化，或者minD 限制條件：RRmax （3）；可以選擇最優(yōu)的編碼數(shù)給出“最好”的

5、圖像質(zhì)量（最低的失真），并不超過目標(biāo)比特率。在實際中，用一套編碼參數(shù)對視頻序列進行編碼，得到相應(yīng)的編碼比特率（R）和解碼圖像質(zhì)量（或失真D），兩者結(jié)合，即形成一個R-D工作點。用不同套的編碼參數(shù)重復(fù)上述編碼過程，獲得不同的R-D工作點。率失真理論告訴我們，率失真曲線位于眾多的工作點的凸邊上。如果給定一個目標(biāo)速率Rmax，與其對應(yīng)的最小失真D點必然在這一曲線上。率失真優(yōu)化的目標(biāo)就是尋找一套編碼參數(shù)，這套參數(shù)代表的工作點盡可能地位于或接近這條曲線。等式（3）是很難直接最小化的，目前常用拉各朗日優(yōu)化法來解決，具體如下所示：minJ=D+R （4）；J是包含D、R以及拉各朗日乘數(shù)的一個新函數(shù)。J=D+

6、R表示了一條直線，代表它的斜率。對于每個可能的乘數(shù)等式（4）都有一個解，每個解就是和理想的率失真曲線相切（或接近相切）的直線?？梢?，拉各朗日方法將能夠找出給出一個或數(shù)個最好性能的編碼參數(shù)集，這些參數(shù)此后可被用到視頻編碼器以獲得最佳的率失真性能。但是因為編碼參數(shù)組合的數(shù)目極大，計算復(fù)雜性常常比編碼算法本身還高，可在那些非實時編碼中應(yīng)用，如用在節(jié)省存儲的DVD光盤壓縮中。為了使這種方法更實用，可以將拉各朗日優(yōu)化方法作一些簡化。如，提前判斷某些編碼參數(shù)優(yōu)劣，使用率失真特征模型來估計最佳工作點等簡化算法。三、速率控制速率控制算法的選擇對視頻質(zhì)量有很重要的影響，它是受多種因素制約的。如，受計算復(fù)雜度的制

7、約，一般說來，越是有效的算法，其復(fù)雜度越高；受編碼視頻內(nèi)容的制約，如是相對“靜止”的視頻會議場景，還是快速運動的電影場景，很難對所有的場景都適用；受傳輸信道的限制，如是低時延的實時信道，還是離線的存儲介質(zhì)。下面介紹一種速率控制算法：緩存反饋法 速率控制中最為簡單的是緩存容量反饋控制法。視頻編碼后產(chǎn)生編碼比特輸出速率Rv是可變的。假設(shè)受限的信道速率為Rc，為了使可變的編碼速率Rv和信道速率Rc相匹配，編碼器中設(shè)置了一個緩存器。隨著每一幀被編碼，編碼數(shù)據(jù)以可變的Rv速率填充緩存器，以的Rc速率移出緩存。由于沒有對變化的速率Rv有限制，緩存的數(shù)據(jù)既有可能漫出，也有可能變空。為了避免這種情況的發(fā)生，可

8、將緩存的占有率B的信息“反饋”到編碼器去控制量化步長Q。隨著B的增加/減少，Q也隨著增加/減少，這就引起壓縮率的增加/減少，始終維持緩存容量在一個合理的范圍內(nèi)。這種方法的優(yōu)點是十分簡單和直接，但它有明顯的不足之處，即解碼圖像質(zhì)量的波動。例如，一旦視頻場景中活動性突然增加，使得緩存占有率B增加的太快，以至于來不及通過Q來控制速率，從而引起緩存上溢，這時惟一的辦法只有跳幀，而跳幀就形成了幀率不穩(wěn)。如，在每一編碼幀的結(jié)尾，隨著B的增加Q也增加，導(dǎo)致在每一幀的開頭圖像質(zhì)量較高，而在結(jié)尾（下部）由于大的量化間隔而質(zhì)量明顯下降。四、計算復(fù)雜性控制計算復(fù)雜度和視頻質(zhì)量也是一對矛盾，在很多場合下，能夠以增加計

9、算量為代價而獲得較好的可視質(zhì)量。在視頻編碼中，有很多因素都會影響計算量，如運動估計搜索算法和搜索區(qū)間、DCT塊尺寸、率失真優(yōu)化、幀率選擇等?？梢姡环N性能優(yōu)越的視頻編碼算法因為需要太大量的計算而有可能難以實現(xiàn)。在應(yīng)用中，視頻編碼參數(shù)的選擇往往是在計算量和圖像質(zhì)量之間的一種折衷。1. 對計算復(fù)雜度的控制隨著視頻通信的發(fā)展，編碼器需要具有在復(fù)雜性和質(zhì)量之間的靈活折中的能力，即對視頻編碼器的計算復(fù)雜度有所控制。如，在軟件編解碼的情況下，編碼、解碼和顯示完全以軟件的方式實現(xiàn)。計算復(fù)雜度的上限取決于所用的信號處理器或CPU的資源。這些資源隨著不同的平臺而變化，也隨著占用該資源的任務(wù)數(shù)量而變化。當(dāng)CPU單

10、獨執(zhí)行視頻任務(wù)時，軟件編解碼占有大多數(shù)可用資源；而當(dāng)軟件編解碼器和其它應(yīng)用任務(wù)共同運行時，它得到的處理周期就比較少了。因而就希望計算復(fù)雜度不再固定，隨著運行的環(huán)境而變化。2. 可變復(fù)雜性算法視頻編解碼器的性能是以下三個變量的函數(shù)：計算復(fù)雜性、編碼比特數(shù)和視頻質(zhì)量。視頻編解碼器的優(yōu)化需要對計算復(fù)雜性具有的更靈活的控制，這就導(dǎo)致視頻編碼的“可變復(fù)雜性算法”的產(chǎn)生。一類VCA是獨立于輸入的。例如，視頻編碼中“跳幀”的處理以及運動估計（ME）中搜索窗尺寸的改變都屬于此類。跳幀在軟件視頻編解碼中廣泛使用，可以大幅度降低計算復(fù)雜度。另一類VCA是依賴于輸入的。例如，在IDCT計算時先檢測不包含AC系數(shù)的塊

11、，對于這種塊，IDCT計算就可以跳過，所有的樣值被置為那個塊的DC值。3. 復(fù)雜性-速率控制上述的VCA對于計算復(fù)雜度控制是很有效的。同時，VCA也能夠影響編碼的比特率：例如，如果大量的DCT操作被跳過，將產(chǎn)生很少的編碼比特，相應(yīng)的速率也有所下降。相反，“目標(biāo)”比特率選擇也能夠影響計算復(fù)雜性。因此不能將計算復(fù)雜性控制和速率控制作為分離的問題來處理，還可將它和圖像的失真聯(lián)系起來一并考慮，這就是新近出現(xiàn)的復(fù)雜性-失真理論。對于VCA性能的考查有必要在復(fù)雜性、速率和失真這三維軸上進行。視頻編碼器的“工作點”也不再限制在速率-失真曲線上，而是位于速率-失真-復(fù)雜性所形成的曲面上。在這個曲面上的每一點都表示一個可能的編碼參數(shù)集，形成特定的編碼比特率、失真和計算復(fù)雜度的集合。由于計算復(fù)雜性和比特率之間的相關(guān)性，同時控制復(fù)雜性和速率也是可能的。五、總結(jié)許多實際的視頻編解碼器必須工作在速率、復(fù)雜度受限的環(huán)境。編碼控制算法的實質(zhì)就是在速率、圖像質(zhì)量和復(fù)雜性所形成的三維空間的“工作面”上尋找最優(yōu)“工作點”，使我們的工作很簡單。分析和實踐表明，編碼控制的優(yōu)化性能往往是以高計