（通信与信息系统专业论文）基于改进型weibull分布率失真模型的帧比特分配算法的研究.pdf

中文摘要摘要：纵观过去，基于变换预测的图像和视频源压缩编码被广泛应用于可视信息的管理、处理与通信，进而发展出一系列视频编码标准。其中，h 2 6 4 a v c 已成为目前最常用的标准。h 2 6 4 a v c 标准中，对于d c t 系数的描述使用的是l a p l a d 趾分布模型。而l a p l a d 锄分布模型在d c t 系数分布曲线的拖尾处不能很好地去逼近。因而在其分布上建立的率失真模型以及相应的码率控制算法存在一定的缺陷。因此，要在有限带宽传输的条件下，得到更加清晰、平稳质量的视频，需要用一种更加逼近d c t系数分布的数学模型来代替。目前，能够替代脚l a d 觚分布的模型是c a u c h y 分布模型。但c a u c h y 分布有时在分布曲线的拖尾之处还是不能很好地逼近实际d c t系数分布。本文深入研究h 2 6 4 关键技术，通过对视频信源的统计分析，针对d c t 系数的统计特征以及c a u c h y 分布的缺点，提出一种改进型w d b u l l 分布，并据此分布建立一个新的率失真( r d ) 模型。文章通过使用改进型w e i b u n 概率密度函数，逼近实际d c t 系数分布，并通过编码熵理论和失真分析，将模型表示成为两个关于视频编码量化步长的函数，即码率量化( r q ) 模型和失真量化( d - q ) 模型，进而估计编码码率和量化失真。仿真结果表明，该分布比c a u c h y 分布更逼近于实际视频序列的d c t 系数统计特性，并且该模型较基于c a u c h y 分布的率失真模型能够更为精确地估计实际编码码率和失真性能。由于改进型w d b u l l 分布比c a u c h y 分布能够更精确地逼近实际d c t 系数，从而基于改进型w e i b u l l 分布的率失真模型要比基于c a u c h y 分布的率失真模型能够更加精确地描述码率与量化步长和失真与量化步长之间的关系。于是本文基于改进型w d b u l l 分布率失真模型提出一种新的h 2 6 4 的帧比特分配算法。实验结果表明，本文提出的算法要比j _ h 0 1 7 的算法在p s n r 方面平均有0 3 0 d b 的改善，并且能够得到更加平稳质量的视频输出。在实际输出码率方面，本文算法比j - h 0 1 7 的算法更低，并且编码缓冲器充盈度较j h 0 1 7 平稳且没有上下溢的情况出现。关键词：改进型w e i b u l l 分布( r w d ) ：h 2 6 4 ；r d 模型；r q 模型；码率控制；帧比特分配算法分类号：t n 9 1 9 8 1a bs t r a c ta b s t r a c t ：o v c rm ep a s t 矗聊d e c a d e s ，仃a n s f o n n - b a s e dc o m p r e s s i o nf o ri m a g e 锄dv i d e os o u r c e sh a sg a i n e dw i d 唧r e a dp o p u l 砸t y 南r 、r i s u a li i l f o m a t i o nm a i l a g 锄e i l t ，p r o c e s s i n 舀a 1 1 dc o 舢【l l u i l i c a t i o 鹏a sar e s u l t ，s “训v i d e 0s t a n d a r d sh a v eb e c i ld e v e l o p e d h 2 6 4 厂a v cv i d e 0s t a i l d a r dh 嬲b e c o m em o s tp o p u l a ru pt on o w i i lh 2 酬a v cv i d c os t 觚d 和，l a p l a c i a i ld i 嘶b u t i o nm o d e li sl l s c dt 0d e s 嘶b et l l ed i s t r i b u t i o no fd c tc o e m c ie l l _ t s b u tl 印l a c i 锄d i s 劬u t i o nm o d e lc a i ln o tb ew e nt 0印p r o a c ht h et a i l i n go fd c tc o e 伍c i e n t sd i s t r i b u t i o nw l l i c hi sb 嬲e do nt | 圮r a t e - d i s t o n i o nm o d e la n dc 0 雕；s p o n d i n gr a t ec o n t r o la l g o r i t h mh a v es o m ed e f e c t s t h e r e f o r e ，an e wm a m e m a t i cm o d e ln e e dt 0b ef o u n dt 0a p l ) r o a c hd c tc o e 伍c i e n t sd i s t r i b u t i o nb e t t e r t h a ti r ed e a d y 锄ds m 0 0 t h l yq u a l i 锣v i d e 0o u 垭u tc 0 u l db eg o t t t h em o s ta p p i r o a c h i n gm o d e li sc a u c h yd i s t r i b u t i o na t 胛e s e n t ，b u tm em o d e la l s oc 觚n o tb ew e l lt 0 印p r o a c h i n gt l l et a i l i n go fd c tc o e 街c i e n t sd i s t r i b u t i o ns o m e t i m e s t h e 廿1 e s i sd e e p l yr e ：卿i i i c h 懿t l l ek c yt e c h n o l o 西e so fh 2 6 4 a v cv i d e os t a i l d a r d 1 n h r o u g ht l l es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft y p i c a l d e 0s o u r s t 撕s t i c a lc h 觚蛾砸s t i c so fd c tc o e 街c i e n t s觚dt l l ed i s a d v 锄船g e so fr a t e d i s t o r t i m o d e l ，h i l p r o v e dw 葫b u nd i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e da n dan e wr a t e - d i s t o r t i o nm o d e li sb u i l to n t h em e s i su s e si m p r 0 v e dw e i b u up r o b a b i l 时d 饥s i t y 缸l c t i o nt oa p p i r o x i m a t ea c t u a ld c tc o e 硒c i 胁t sd i s t r i b u t i o n w i t he l l c o d i n g 锄们p ym e 0 巧a l l dd i s t o n i o n 锄a l y s i s ，m em o d e li se x p r e s s e d 嬲t 、) i r o 允n c t i o 璐o ft l l e 、r i d e qc o d e rq u a n t i z a t i o ns t 印s i z e ，w r h i c ha r er a t e q u a n t i z a t i o ni n o d e l ( r - q ) a n dd i s t o n i o n q u 粕t i z a t i o nm o d e l ( d q ) t l l a ta r eb a s c d0 nm ed i s t r i b 埘o i l ，姐dm em o d e l 砌c hi sb a s e do nh i l p r 0 v e d 删ld i 嘶b u t i o ni st 0e s t i m a t c 铋c o d i n gr a t ea l l dq u 觚t i z a t i o nd i s t o n i o n s i i l l u l a t i o ne x p 甜m e n t sr e s u l t ss h o wt l l a tt l l ed e i l s i t ) rd i s m u t i o ni sd o s e rt om es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o no f 廿l ed c tc 0 e 伍c i e n t st 1 1 a nc 肌c h yd e i l s 时d i s 仃i b u t i o n t h em o d e lw h i c hi sb 弱e do nh n p r o v e dw e i b u ud e n s i t yd i s t r i b u t i o np r 0 v i d e sb e t t e re s t i m a t e sf o rt h ea c t i l a le t l c o d i n gr a t ea 1 1 dq u a n t i z a t i o nd i s t o n i o np e r f o 肌a l l c et h 锄m o s e 吐l a ta r eb 舔e d0 nc a u c h yd c l l s i t yd i s t r i b u t i o n 1 1 l er a t e d i s t o n i o nm o d e lw 】1 i c hi sb a s c do ni m p m v e dw 萌b u l ld i s t r i b u t i o nc a i ld e s c r i b em er c l a t i o n s h j pb e 嘶e e i lr a t ea n dq u a n t i z a t i o ns t 印s i z e ，嬲w e l l 勰m er e l a t i o n s h i pb e t 、) l ，e e i ld i s t o r t i o n 觚dq u a l l t i z a t i o ns t 印s i z em o r ea c l 汕a t e l ym a l lm a t砌c hi sb a s e do nc a u c h yd i s t r i b u t i o n b e c a u s ei m p m v e dw r d b u l ld i s 仃i b u t i o ni sc l o s e rt om es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h ed c tc o e 衔c i e l l t sm 锄c a u d l yd i s t r i b u t i o n an e w缸n eb i ta l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s c d 矗汀t l l eh 2 6 4b 嬲e do nh i l p r 0 v e dw e i b u l ld i s t r i b u t i o n s i m u l a t i o ne x p 谢m e i l t sr e s u l t ss h o wt h a tao 3 0 - d ba v e r a g ep e a ks i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( p s n r ) i i i l p r o v e l l l e n to v e rm ej v t - h o l7r a t ec o n t r o la 1 9 0 r i t h ma n dm o r cs m o o m 啊d c 0q u a l 耐c o m db eo b t a i n e d t h er 骼u l t sa l s os h o w 也a tl o w e ra c t u a lo u t p u tr a t e 雒dm o r es m o o m l yb u 贷e rs t a t u s 也a ta v o i d so v e r f l o wa n du n d 廿咀o wc o n d i t i o n sc o u l db eo b t a i n e d 1 ( e y w o r d s ：h i l p r o v c dw e i b u l ld i s t r i b u t i o n ；h 2 6 4 ；r - dm o d e l ；r qm o d e l ；r a t ec o n t r o l ：f r ；l m eb i ta l l o c a t i o nc l a s s n o ：t n 9 1 9 8 1v致谢三年的时光，匆匆飞逝，转眼之间，硕士阶段的学习生涯即将画上一个圆满的句号。在此期间，许多人给予了我关心和帮助。正是他们的无私奉献，使得我在学业和科研上得到了很多的收获。本论文的工作是在我的导师李兴华教授的悉心指导下完成的。李兴华教授在学习上给了我悉心的指导，在生活上给了我无微不至的关怀。李教授渊博的知识、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，使我终生受益。在此衷心感谢三年来李兴华老师对我的关心和指导。荆涛教授为我们的学习和科研工作提供了良好的研究条件，并悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向荆涛老师表示衷心的谢意。霍炎博士为我的研究课题提供了强有力的支持。霍博士在学术上高深造诣，尤其是在学风上严谨、细致和求实的态度，在科研工作中的丰富经验，积极的创新精神，在科研工作和论文方面给了我莫大的启发和帮助。在实验室工作及撰写论文期间，实验室的同学们和我共同讨论科研工作中出现的难题，并给予了我热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，并以饱满的热情和踏实的态度投入到学习和工作当中。最后再次对所有帮助我、关心我的人们表示真诚的感谢!1 引言1 1论文研究背景与意义随着通信技术的不断发展，单一的媒体通信方式和单一电信业务的传统格局已经被多媒体通信的发展打破。相比于传统的通信手段，利用多媒体通信，用户不仅能声像图文并茂地交流信息，而且能对通信的全过程具有完备的交互控制能力。多媒体通信是指一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息( 如声音、图像、图形、数据、文本等) 的一种新型通信方式【l 】。随着现代通信技术的不断发展，图像、视频等多媒体数据已逐渐成为信息处理领域中主要的信息媒体形式。其中，视频由于其直观性、准确性、广泛性和高效性，且已经成为人们生活中不可缺少的元素。义。成为多媒体通信中重要的组成部分，并因此，研究视频通信具有十分重要的意在视频通信中，视频处理和通信系统所要处理的信息是十分庞大的视频图像数据，对于处理的速度和精度都有相当高的要求，系统的应用也是非常广泛。如图1 1 所示，目前的视频处理和通信系统有各种各样的结构，但不论结构复杂还是简单，一个完整的视频处理系统包括视频源的采集、预处理、视频传输、视频解码、后处理和显示几个组成部分【2 1 。视频数据采集显示j r下预处理后处理jt视频编码视频解码土下视频传输图1 1 视频处理系统f i g 1 l d e op r o c e s s i i l gs y s t 锄随着整个视频产业全面告别模拟时代，视频源的采集、处理、传输和显示已经实现了数字化。但数字化后的视频有着极其庞大的数据量，而当前的传输带宽和存储容量又是有限的，所以必须对数字化视频进行高效压缩编码。但是，在适应了低带宽的传输限制的同时，由于压缩过程为有损压缩，也降低了视频的质量。因此在保证一定重建视频质量的同时，最大限度地减小编码码率。由此可见，码率控制是视频质量稳定和可靠传输的重要保证，研究码率控制对于视频通信有着极其重要的意义。基本的码率控制原理如图1 2 所示【3 】。在图1 2 中，码率控制的目的是为了在收集到网络端传输码率和缓冲器状态后，通过自身的判定准则，适当调整量化步长，以满足在一定平稳视频质量的前提下，满足带宽的要求。码率控制中的判定准则是建立在率失真( r a t c - d i s t o n i o i l r d ) 模型的基础上，码率越大，失真也就越大，相应地视频质量也就越差。在有损压缩过程中，由于量化是导致失真的原因，可以用码率量化( r a t e - q u a l l t i z a t i o l l r q ) 模型代替率失真模型。这样，如果要求降低码率，则要增大量化步长。因此，找到一个合适的r - q 模型，在保证视频质量的基础上，去适当地调整量化步长，是码率控制中十分重要的环节。视频懒一恤l码率控制一缓冲器彩态量化参视频解码器一一一一一一一一一一一一一一一图1 2 码率控制基本原理f i g 1 - 2t h eb a s i cp r i i l c i p l eo fm t ec o n t r o l无论是r q 模型，还是r - d 模型，都是根据信息论原理，假设视频源的d c t系数分布是服从某种数学分布的基础上发展出来的。所谓的d c t 系数，是在编码器中，在进行量化、熵编码之前，将编码帧划分成为固定大小的块，对块进行二维离散余弦变换( 俩od i i l l e n s i o n a ld i s c r e t ec o s i n e 仃a n s f o 肌，d c t ) 后的系数。因此，研究实际的d c t 系数统计学特征以及找到一个合适的数学模型去逼近实际d c t系数分布，对于建立码率控制中的r q 模型或r 。d 模型都具有非常重要的意义。1 2相关技术国内外发展现状1 2 1视频编码标准发展现状2纵观过去几十年，数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域。在此驱动下，国际电信联盟远程通信标准化组织( i n t e n l a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t 锄d a r d i z a t i o ns e c t o r ，i t u t ) 下属的视频编码专家组( d e oc o d i n ge x p e n sc u p ，v c e g ) 和国i 琢标准化组织( h t e n l a t i o n a l0 瞻a i l i z a t i o no fs t 锄d a r d i z a t i o 玛i s o ) 下属的动态图像专家组( m o v i n gp i c t i 鹏se x p e n s u p ，m p e g ) 颁布了一系列的视频压缩编码标准，如h 2 6 l ( 1 9 9 0 ) 、m p e g 1 ( 1 9 9 3 ) 、m p e g 2 ( 1 9 9 4 ) 、h 2 6 3 ( 1 9 9 5 ) 、m p e g 4 ( 1 9 9 9 ) 、h 2 6 4 ( 2 0 0 3 ) 等。( 1 ) h 2 6 l 【4 1h 2 6 1 标准是i t u t 在1 9 9 0 年颁布的针对视频会议和可视电话等业务的视频编码标准。目的是在窄带综合业务数字网( n a 肿w b a n dh l t e 耐c ds e r v i c 髓d i 百t a ln e 附o r kn i s d n ) 以6 4 k b i t s 整数倍的速率进行传输，要求图像必须和语音密切配合，即具有强实时性和同步性。h 2 6 1 压缩编码由具有运动补偿的帧间预测、块d c t 和霍夫曼编码组成。由于针对实时业务，标准只允许i 帧和p 帧编码类型。h 2 6 l 标准是视频编码的一个里程碑，是第一个被广泛应用的成功标准。( 2 ) m p e g 1 【5 】该标准是由i s o m p e g 为满足的运动图像及其伴音的压缩、解压缩以及编码描述而制定的。其码率为1 2 1 5 m b i t s 。主要应用于v c d 、光盘、计算机磁盘存储、数码相机以及数字摄像机等。m p e g 1 继承了h 2 6 l 标准的技术结构，也添加了加了新的技术特征：b 帧、半像素运动、片结构编码和加权矩阵量化等。( 3 ) m p e g 2 【6 】m p e g 2 是由i s o 与i t u - t 共同制定的标准，是m p e g 1 的扩展，也称为h 2 6 2 。该标准针对活动图像，其码率为1 5 6 0 m b i t s ，甚至更高。主要应用于数字卫星电视、高清晰度电视广播以及数字视盘d v d 。与m p e g 1 相比，m p e g 2 增加的新技术有：支持隔行扫描视频编码、更高的色信号取样模式，可伸缩的视频编码方式。( 4 ) h 2 6 3 及其扩展【7 ，8 ，9 ，1 0 】h 2 6 3 【7 】标准是r r u t 针对速率低至2 0 也4 k b i t s 传送视频流而开发的。主要应用于视频会议。与h 2 6 1 相比，h 2 6 3 具有更大的压缩效率，是h 2 6 l 的改进版本。改进的方面有：增加了半像素精度的运动补偿、可变长编码、采用去块效应滤波器、增加一些抗误码模式：如错误跟踪、独立分段解码等。为了在低码率信道条件下取得较好的视频效果，1 9 9 8 年r r u t 颁布了h 2 6 3 + 【8 】标准，增加了多个选项，如采用分组图像抗误码、允许用户自定义图像格式、采用先进的帧内编码技术等。h 2 6 3 “9 ，1 0 1 是在2 0 0 0 年推出的，在h 2 6 3 + 的基础上又增加了3 个选项，分别是：采用增加型参考帧、数据分片和在h 2 6 3 + 码流中补充信息。( 5 ) m p e g 4 11 】m p e g - 4 是为适应多种多媒体应用的“视听对象的编码 。目的是从3 个方面拓展早期标准的能力：支持低比特率的应用、支持基于对象的编码和支持基于工具箱的编码。m p e g _ 4 针对第一代压缩编码技术( 包括h 2 6 1 、m p e g 一1 、m p e g 2 、h 2 6 3 ) 所存在的问题，采用新一代编码技术，从而实现了从基于像素的传统编码向基于对象内容的现代编码的转变，引领新一代智能视频编码的发展潮流。m p e g _ 4的相关核心技术可概括为：视频对象提取技术、视频对象平面( v i d c 00 l b j e c tp 1 a n e ，v o p ) 视频编码技术、视频编码可伸缩性技术、运动估计与运动补偿技术。( 6 ) h 2 6 4 儿w c 【1 2 1 3 ，1 4 ，1 5 】h 2 6 4 标准是由r r u t c e g 和i s o m p e g 共同成立的联合视频小组( j o nd e 0t e 锄，j v t ) 于2 0 0 3 年3 月公布削1 2 】。当时公布的是h 2 6 4 标准的第一个版本。在i s o 中该标准命名为高级视频编码( a d v a i l c e d d e 0c o 曲坞a v c ) ，也作为m p e g 4 标准的第l o 部分。h 2 6 4 的目的是是为视频编码应用提供下一代的解决方案，提供显著增强的编码效率，同时减少h 2 6 3 中一些混乱的可选模式。h 2 6 4 的编码结构在算法概念上分为：视频编码层( v i d e 0c o d i n gl a y v c l )和网络抽象层( n e 咐o r ka b s t r a l m o nl a y n a l ) 。其中，v c l 负责高效率的视频压缩能力，而n a l 负责以网络所要求的方式对数据打包进行传送。在v c l 中，h 2 6 4 采用d c p m 加变换编码的混合编码方式，在多模式运动估计、整数变换、统一变长编码、分层编码语法等方面有其独到之处，如4 4 的整数变换、多参考帧预测、多模式高精度预测、多种帧内预测模式和统一的熵编码等。其中，熵编码又可分为基于上下文自适应变长编码( c o n t e x ta d a p t i v e a b l el e i l g t l lc o d i n 舀c a 、厂l c ) 与基于上下文的二进制算术编码( c o n t e x ta d a p t i v eb i n a r ya 打t l l m e t i cc o d i i 塔，c a b a c ) 。对于v c l 中众多的编码技术，在h 2 6 4 的第一版中规定了3 种不同档次【1 6 】：( 1 ) 基本档次( b 雏e l i n ep r o f i l e ) ：支持i 、p 帧编码以及c a v l 等。主要用于“视频会话 ，如会议电视，可视电话，远程医疗、远程教学等。( 2 ) 主要档次( m a i l lp r o f i l e ) ：支持b 帧编码、加权预测、c a b a c 等。主要用于网络的视频流，如视频点播。4( 3 ) 扩展档次( e x t e n dp r o f i l e ) ：支持s p ：和s i 片，数据分割等。主要用于消费电子应用，如数字电视广播，数字视频存储等。随着h 2 6 4 ，a v c 的应用越来越广泛，初期的h 2 6 4 版本已经不能适应更高的视频要求，如高码率、高采样、高分辨率等。于是，j v t 于2 0 0 5 年3 月起草，2 0 0 4年8 月最终完成推出h 2 6 4 标准的扩展高保真扩展( f i d e l 时r a n g ee x t e i l s i o n ，f r e x t ) 【1 3 】，同时出也为h 2 6 4 增加了4 个档次，统称为高级档次( h i 曲p r o 行l e ) ：( 1 ) t l l eh i 曲p r o f i l e ( h p ) ：支持4 ：2 ：o 取样格式，每个取样值用8 b i t 表示，无需扩展彩色取样格式和取样精度，便可满足使用高分辨率视频的需求。( 2 ) t h eh i 曲l op r o f i l e ( h l o p ) ：支持4 ：2 ：0 取样格式，取样精度可达l o b i t 。( 3 ) t i l eh i 曲4 ：2 ：2p r o f i l e ( h 4 2 2 p ) ：支持4 ：2 ：2 取样格式，取样精度达1 0 b i t 。( 4 ) n l eh i 曲4 ：4 ：4p r 0 矗1 e ( h 4 4 4 p ) ：支持4 ：4 ：4 取样格式，取样精度可达1 2 b i t ，同时可以满足部分区域的无损编码，并且在编码r g b 格式的视频时，使用一种整数残差彩色转换技术来避免彩色空间转换时产生的误差。为了应对多样化的网络和终端，j v t 在2 0 0 7 年1 1 月推出了可分组编码扩展( s c a l a b l e d e oc o d i n g ，s v c ) 【1 4 】，即h 2 6 4 a v c 标准文档中的附录g 部分。同时，也为h 2 删c 增加了三个新档次：( 1 ) s c a l a b l eb a s e l i n e ：应用于移动、监控及实施视频会议。( 2 ) s c a l a b l eh i g l l ：应用于广播和流媒体。( 3 ) s c a l a b l eh i 矾i i l 仃a ：应用于医疗等专业领域。为了应对3 d 立体视频及多视角视频的需求，j 、l ，1 在2 0 0 9 年3 月推出了一个新的扩展多视角编码扩展( m u l t i 啊e wv i d e 0c o d i n & m v c ) ，即h 2 6 4 a 、厂c 标准文档中的附录h 部分。同时，也为h 2 6 4 | a v c 增加一个新的档次：m u l t i v i e wh i 曲。( 7 ) v c 1 及a v s 【1 7 憾l除了i s o 和r r u t 推出的视频编码标准外，还有微软的v c 1 和我国的a v s 。在2 0 0 6 年初，微软公司开发出v c 1 m d e oc o d c c1 ) 视频编码压缩技术，并向美国电影电视工程师协会( s o c i e t yo fm o t i o np i c t i 鹏a n d1 e l e v i s i o ne n 西n e e r s ，s m p t e ) 提出标准化申请并获得通过。与h 2 6 4 相比，v c 1 虽然在压缩比上无法用过h 2 6 4 ，但其编码复杂度只有h 2 6 4 的5 0 ，编码时间比h 2 6 4 少很多。在特效电影以及高清d v d 上有良好的效能表现。a v s 是我国数字音视频编解码技术标准工作组于2 0 0 2 年开始制定的音视频编码标准，在国家标准计划中的正式名称为信息技术先进音视频编码。a v s 共有9 个部分，其中涉及视频编码的有两个部分：a v s p 2和a v s p 7 。a v s p 2 主要针对高清晰数字电视广播和高密度存储媒体应用，a v s p 7主要针对低码率、低复杂度、较低图像分辨率的移动媒体应用。这两部分在性能上与h 2 6 4 相比，算法复杂度低于h 2 6 4 ，软硬件实现成本比h 2 6 4 低，专利授权模式简单，费用低于h 2 6 4 。1 2 2率失真模型发展现状随着信息率失真理论的提出，研究人员基于率失真理论建立了多种r d 模型以及r q 模型，用来近似估计码率与失真或码率与量化步长之间的关系，从而在率失真模型的基础上发展码率控制算法。下面介绍几种常用的r d 、r q 模型。( 1 ) 高斯( g a u s s i a l l ) 对数模型1 a o 等人刈认为视频源d c t 系数服从均值为o ，方差为一的g a u s s i a l l 分布，并在些基础上建立基于块的码率量化函数：吃= 扣：寿( 1 - t )其中，q 为量化步长，愚为块的码率。命= ：嚣徽时m 2 ，l ，为非帧内块时、其中n 为输入样本的分块数。1 t ；鲁，为帧内块时r ：n 麓叫“( 1 - 3 )r2 l 卜j l i 害；专，为非帧内块时l 兀兰。仃? 力。其中，n 是量化失真与量化步长的关系因子。虽然码率量化模型是基于块层结构的，但g a u s s i 锄分布并不能很好地逼近实际d c t 系数分布曲线，因而所发展的码率量化模型并不能准确地估计实际码率与量( 2 ) 拉普拉斯( l 印l a c i a n ) 分布模型在文献 2 0 】中，c o 而e f a 等人提出d c t 系数分布服从脚l a c i a l l 分布。l a p l a c i a i l密度分布函数如式( 1 - 4 ) 所示：p ( z ) = ( 名2 ) e x p 一名i 叫 ，z 尺( 1 4 )6五= 压仃( 1 5 )其中，仃为d c t 系数中交流( a l t 锄a t i n gc u 姗t ，a c ) 系数的方差。在l 印l a c i a l l 分布的基础上，推导出码率与量化步长的关系，即码率量化( r q ) 模型：地出吵扩斟务m 6 ，【面歹歹荔同时，也推导出了量化失真与量化步长之间的关系，即失真量化( d q ) 模型：她，= 专善鬈m 7 ，v ；。ll z其中，为宏块数，9 为第f 个宏块的量化步长。l a p l a c i a n 的r q 模型虽然要比g a u s s i 锄的r q 模型更准确地估计码率与量化步长之间的关系，但l a p l a c i a l l 分布还是不能精确地逼近实际d c t 系数分布，因而其( 3 ) p 域率失真模型在文献【2 1 】中，h e 等人提出实际d c t 系数服从l 印l a c i a l l 分布，并且还提出了量化后的零分量系数在整个量化系数中所占比例与输出码率之间存在线性关系，与失真之间也存在一定关系：r = 口( 1 一力( 1 8 )d = 万2 p 一口1 叩( 1 9 )其中，p 为量化后的零分量系数在整个量化系数中的比例，队a 为模型参数。经过大量视频源进行实验表明，该模型比l a p l a c i a i l 模型更准确地估计码率与量化步长之间的关系。( 4 ) 一次模型在文献【2 2 】中，m a 等人提出基于宏块层，输出码率、量化步长与绝对误差和( s 吼o f a b s o l u t ed i f j 衙e n c e ，s a d ) 之间存在下面的关系：7耻半+ q( 1 - 1 0 )其中，f 为要编码的第f 个宏块，k 为模型参数，c 为该宏块的头信息比特数。从公式( 1 1 0 ) 可以看出，宏块的输出码率与量化步长的倒数存在着一定的线性关系。虽然该模型比以前的模型要更加精确，但由于其宏块的s a d 值是运动补偿之后所求出，即需要先知道量化步长，因而存在着“蛋鸡悖论 的问题。( 5 ) 二次模型该模型是目前最常用的率失真模型，m p e g 4 以及h 2 6 4 标准中的码率控制算法都是基于该模型而提出的。在文献【2 3 中，c h i 觚g 等人提出实际d c t 系数分布服从l 印l a d a l l 分布，并在此基础上，提出率失真函数为：尺( d ) = 1 n ( 亩) ，o d 名( 1 - 1 1 )其中，a 为l 印l a c i 觚模型参数，失真d 的计算为：iid = l 工一卅( 1 - 1 2 )其中，x 为d c t 系数x 的均值。将公式( 1 1 1 ) 用泰勒级数展开，可得出：r ( 。) = 3 2 + 三。一一丢f d - 2 + 。( d )( 1 1 3 )九j 己尤c h i a n g 等人认为失真d 与量化步长q 之间呈线性关系，公式( 1 1 3 ) 可变为：r ( q ) = 口q - 1 + 6 q - 2( 1 - 1 4 )其中，口、6 为模型参数。( 6 ) 柯西( c a u c h y ) 分布模型k 锄a c i 等人在文献 2 4 】中提出由于l a p l a c i a n 分布在曲线的拖尾处衰减过快，不能很好地描述实际d c t 系数分布，因而采用在逼近实际d c t 系数分布上比l a p l a c e 效果更好的c a u c h y 分布来代替。基于c a u c h y 分布，得出的熵函数为：日( q ) = 一昙：一( 虽。g z 昙_ 一( 虽 j i 昙喜t a l l 。1 ( 石南) 。，5 ，灿g ：l ，( 鼎j j1 2 3码率控制算法发展现状目前，在传输视频流时，由于带宽的限制，要求恒定地传输码率，这些恒定的输出码率被称为恒定比特率( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 。其所传输的信道，被称为恒定码率信道。码率控制的基本问题就是在尽可能地保证图像质量的条件下，使压缩码流的码率适应恒定码率信道的要求，防止缓冲器的上溢和下溢。为了满足这种要求，研究人员提出了多种码率控制算法。( 1 ) 基于一次模型的t m 5 码率控制算法为便于编码算法模块的实现和测试，视频编码标准m p e g 一2 建立了一系列测试模型，这些模型也是集成和评估新算法的基准平台，其中就有第5 测试模型( t e s tm o d e l5 ，t m 5 ) 【2 5 】。t m 5 码率控制算法按照编码层次的顺序分层次地调节比特率，其步骤分为3 步：目标比特分配( t a r g e tb i t 舢1 0 c 撕o n ) 、码率调整( r a t e a d j u s t ) 、自适应量化( a d a p t i v e q u a n t i z a t i o n ) 。其主要思想是采用缓冲器的占用率为出发点来计算量化步长，然后通过图像的局部空间性进行修改。t m 5 能够满足使编码器输出码流的码率与信道码率相匹配的要求，而且由于它的比特分配策略比较合理，码率调整较为精细，在限定的重建图像具有较高的主观质量。但t m 5 的不足之处在于所有宏块的预分配的比特数是相同的，并未考虑宏块的类型。目标比特的分配和空间活动度的均基于上一帧的信息，不能很好地处理场景的变换等。( 2 ) 基于l 印l a c i 趾模型的t m n 8 码率控制算法9删8 瞬m o d e l ，n e a rt e 锄，= r s i o n8 ) 是视频编码标准h 2 6 3 所采用的测试模型【2 6 】，是在d c t 系数服从l a p l a d a n 分布的基础上提出的。在低延时的应用中，视频序列一般采用p p p 的编码结构。由于要求有较低的延时，编码器的缓冲器容量不能过大，因而采用跳帧的措施避免缓冲器上溢。卟刷8 码率控制算法包括帧层码率控制和宏块层码率控制。帧层码率控制的作用是根据缓冲器的状态及信道每帧预分配合适的比特数。宏块层码率控制的作用是在使各宏块编码比特数之和大致等于这帧预先分配比特数的前提下，失真尽可能地小。t m n 8 的控制精度非常高，而且重建的视频质量也比较好，优于先前的所有码率控制算法，但其算法复杂度偏高。( 3 ) 基于二次模型的v m l 8 和j v t h 0 1 7 码率控制算法v m l8 撕f i c a t i o nm o d e l 、，r e r s i 蚰18 o ) 是视频编码标准m p e g - 4 所采用的码率控制算法【2 7 1 。j v r - h o l 7 是编码视频标准h 2 6 4 的码率控制提梨2 8 1 。这两种码率控制算法均采用可分级码率控制( s c a l a b l er a t cc 0 n 的l ，s r c ) 方案，针对的是没有延时限制的变化比特率和有低时延以及缓冲区限制的固定比特率而设计的，可以满足从1 0 k b p s 1 m b p s 的码率变化范围，从q c i f 格式到c 格式的空间分辨率变化范围和从7 5 3 0 晕s 的时间分辨率变化范围。这两种码率控制算法都建立在实际d c t 系数服从l a p l a c i a l l 分布的二次r d 模型的基础上。随后引入平均绝对误差( 1 e 觚a b s o l u t ed i f 陆e n m a d ) 作为衡量时域编码复杂度参数，将公式( 1 1 3 ) 进行推导后得出：d【，! 竺= 口，x p 一1 + 口，9 2( 1 1 8 )= 口，x + 口，il - l 石其中，口卜口2 为模型参数，日为头信息比特数。j - h 0 1 7 与v m l 8 的区别在于t - h 0 1 7 的s r c 引入了基本单元层的概念，它可以是一帧、一片或者一个宏块，提高了码率控制的精度。这样，j v r - h o l 7 的s r c 就分为三个层次：图像组( m u po fp i c t l l r c ，g o p ) 层、帧层和基本单元层码率控制。这两种码率控制算法已经成为目前最常用的码率控制算法。( 4 ) 其它码率控制算法文献【1 9 】中基于高斯对数模型的码率控制算法在图像位率丢失覆盖比( p i c t u f eb i tr a t em i s m a t c hr a t i o ，p b m r ) 方面要低于t m 5 ，在峰值信噪比( p e a l ( s i 辨a lt 0n o i s er a t i o ，p s n r ) 方面，对于测试序列f l o w e rg a r d e i l 和m o b i l e 觚dc a l e i l d a r 分别有1 2 d b 和0 5 d b 的改善，重建的视频主观质量要优于t m 5 ，但其算法复杂度要比t m 5 高出2 5 。文献【2 1 】中基于p 域率失真模型提出的码率控制算法要在p s n r1 0方面比删8 平均有0 3 d b 的改善。文献【2 4 中，在基于c a u c h y 分布的率失真模型上发展出的码率控制算法在p s n r 方面比t m 5 平均有0 3 3 d b 的改善，相对于j v r - h o l 7 平均有0 2 4 d b 的改善。在实际输出码率方面，文献中的码率控制算实际输出码率低于t m 5 和j v t - h 0 1 7 的输出码率。1 3论文组织结构安排本文从h 2 6 4 变换后的d c t 系数的统计学特征出发，深入研究率失真模型以及相应的码率控制算法，并提出新的数学模型。本文共分为五章，其主要内容如下：第一章为引言，主要介绍了多媒体通信、视频通信的发展背景以及本文所研究内容的重要意义。并对与本文研究内容相关技术的国内外发展现状和视频编码标准的发展历程作了简要阐述。第二章主要对h 2 6 4 a v c 中与本文研究内容相关的关键技术作了系统地研究。首先介绍了h 2 6 4 编解码器的结构及原理，然后阐述了h 2 6 4 编码过程中的关键技术，最后对j h 0 1 7 码率控制提案作了深入剖析。第三章中根据实际d c t 系数的分布特性，针对目前相对准确的c a u c h y 分布的缺点，提出了基于双参数的改进型w 萌b l l l l 分布。并通过仿真实验将改进型w 抽u 1 1分布和c 卸c h v 分布与实际d c t 系数分布作比较。在改进型w d b u l l 分布的基础上分别建立了r - q 模型和d q 模型。并通过仿真实验将基于改进型w e i b u n 分布的r q 模型与基于c a u c h y 分布的r q 模型与实际码率量化曲线作比较；将基于改进型w e i b u l l 分布的d q 模型与基于c a u c h y 分布的d q 模型与实际失真量化曲线作比较。第四章在基于w b i b u l l 分布的r - q 模型基础上提出的简单r -