hevc视频编码码率控制技术研究 (1)

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1、第一章绪论第一章绪论1.1选题背景与意义随着计算机网络、通信技术及多媒体技术的发展，视频相关应用变得越来越广泛。HDTV、IPTV、网络电视、可视电话等对人们日常生活的也起着越来越重要的作用。视频信息相对于图片、文字等具有生动、直观等优势，而且数字化后的视频信息也更易存储、处理和传输。但是视频数据往往十分巨大，视频的存储和传输给现有的存储和通信系统带来了巨大的挑战。以PAL制电视视频为例，一秒钟PAL视频所需要33.2MB存储空间，对于650MB的光盘来说，仅能存20s。若是直接存储原始视频数据，所需要的存储空间

2、巨大，因此直接存储是不切实际的；另外想要以25帧/s来传输此未经压缩的视频数据，数据的传输速率必须要达到216Mbps，显然，以现在的通信技术直接传输不压缩的视频是不现实的。因此，必须利用视频压缩技术来降低视频的存储容量以及传输带宽。为了统一视频压缩的技术规范和码流格式，国际视频组织制定了一系列的视频编码技术标准。在2013年1月，国际标准组织JCT-VC颁布了新一代的视频编码标准，即高性能视频编码（HighEfficiencyVideoCoding，HEVC）标准[1]。视频数据一般可分为信息和冗余数据两部分。

3、视频数据中的冗余数据一般是相同或者相似信息的重复，因此可以通过去掉这些冗余信息达到视频压缩的目的。目前各种编码标准都是有损压缩，而且网络通信的信道带宽是有限和可变的，如果编码后的码流过大，超出了信道容量，那么视频数据就丢失了；如果码流过低，那么带宽资源就被浪费了且无法获得更高的视频质量。因此为了在有限的带宽下获得最佳的视频质量，就需要采用码率控制技术。从根本上讲，码率控制就是在码率和缓冲区的约束下，通过自适应调节编码参数，使码流与信道传输带宽相适应，并且使视频的失真最小[2]。码率控制常常通过编码参数QP进行调整

4、，使得实际码率与目标码率相接近。若量化参数QP较小视频图像中较多的细节信息可以被保留下来，但输出码率也会因此而较高；若量化参数QP较大，则码率会降低，但此时视频的质量也会随之降低。因此码率控制的目标并不是单一的，它涉及视频质量和信道带宽的折衷。码率控制算法若合理，则不但能够提高信道的利用率而且还能保证视频的质量，因此码率控制算法对视频压缩和传输具有非常重要的意义。随着高清视频内容的增多，视频数1第一章绪论据量将会更加巨大，这就更需要精确的码率控制算法能够在一定的带宽限制下保证视频的质量。本文针对HEVC标准，研究

5、了如何精确控制码率的问题。1.1国内外研究现状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]是码率控制中较为经典的算法。其中，JVT-G012码率控制的效果较好，得到了广泛的应用。为了解决单击悖论，JVT-G012采用了线性平均绝对值（MAD）预测模型。对于目标比特分配，则采用了流量传输模型；对于编码参数QP，则采用二次率失真模型计算。近十年来，国内外

6、相关学者针对视频编码标准中码率控制算法提出了大量的改进算法和解决方案，其中主要针对JVT-G012码率控制算法进行了改进。这些改进算法可以分为I帧码率控制算法改进、P帧码率控制算法改进和基于主观的码率控制算法等方面。接下来，将对各个方面具有一定代表性的改进算法进行介绍。（1）I帧码率控制I帧的量化参数将对之后编码帧量化参数的计算起到十分重要的作用，这是因为I帧是后续编码帧的参考帧。如果I帧量化参数值较小，可能消耗比特数较多，那么很可能引起缓冲区上溢而出现大量跳帧，而且因为之后编码的帧可用比特数减少，后续帧的质量可

7、能会随之下降。若I帧量化参数较大，虽然I帧所用比特数减少，但是降低了I帧的质量，而且还会使后续编码帧的质量也随之降低。经典JVT-G012提案中第一个GOP的I帧和第一个P帧是以QP0编码，而QP0是由两个因素确定的，即GOP长度和信道带宽，因此这种方法的缺点是没有考虑图像复杂度以及缓冲区的状态。文献[13]中在I帧编码之前通过计算平均梯度来测量图像复杂度，并基于梯度的图像复杂度提出了一个自适应R-Qstep模型。此模型优点是用梯度值来计算图像复杂度，计算复杂度较小，而且更新模型参数时不需要对图像进行预编码，但此

8、模型的缺点在于没有考虑缓冲区的状态。文献[14]提出了一种基于失真的I帧码率预测模型（ADIE）。该文献首先通过建立了Qstep与MSE之间的线性模型，然后利用亮度的直方图差分来判断场景是否发生变换，若发生场景变换，此帧就会被当作I帧进行编码。该文献提出的码率控制模型同时考虑了图像复杂度，缓冲区状态和场景变换，不仅提高了码率控制准确性，还可以使缓冲区的占用量更稳定。但缺点