一种适合硬件实现的H.264/AVC宏块级码率控制算法

王 佳，殷海兵，周冰倩

(中国计量学院信息工程学院，浙江 杭州 310018)

码率控制算法是在码率受限的条件下，通过动态调整编码参数来优化视频质量。假如没有进行码率控制，当通过有限的信道带宽传送压缩的比特流时，缓冲区就会上溢或者下溢。在视频编码标准中，有几种码率控制算法已经被推荐作为参考算法，比如MPEG－2的TM5、H.263的TMN8、MPGE－4的VM8、H.264AVC 的G012 以及一些改进算法［1－2］。

目前，大多数码率控制算法是基于软件实现的，且太过复杂而不能很好地适合硬件实现。对于一些MPEG－2或H.263的码率控制算法已经有人提出了硬件实现方案［3］。针对H.264/AVC提出的码率控制算法参考提案G012更为复杂，其直接硬件实现需要大量的门电路。而对于那些已经提出的，并且需要388.53—1 140 k门电路的H.264/AVC视频编码器来说，G012的硬件消耗非常大。Wu等人［4］提出了一种适合硬件实现的码率控制算法。本文在H.264/AVC编码器Zigzag宏块编码顺序和宏块级流水结构的基础上，利用时域和频域的相关性，提出了新的低复杂度MAD预测算法，解决了硬件实现时的数据依赖问题。

1 码率控制硬件实现特点

通常硬件编码器的实现面临两个问题，数据吞吐和存储带宽。为了提高数据处理效率，硬件编码器通常采用Zigzag宏块顺序和宏块级流水结构，二者结合导致码率控制算法实现时产生复杂的数据依赖关系。并且G012算法MAD预测模块的高复杂度会消耗大量的硬件资源。

1.1 Zigzag宏块编码顺序和宏块级流水

硬件编码器为了实现数据的水平和垂直复用，通常采用Zigzag［5］宏块编码顺序代替软件实现时的光栅扫描顺序。编码顺序的改变导致数据的水平和垂直的依赖关系有所改变，如图1所示，每3个宏块行采用Zigzag宏块编码顺序。

H.264/AVC硬件编码器宏块级通常采用3级或者4级的流水结构。如图2所示，在宏块流水开始前，通过码率控制(RC)模块获取Qp，依次经过整像素运动估计(IME)，亚像素运动估计/帧内预测(FME/INTRAL)，熵编码/去块效应滤波(EC/DB)3级流水［6］。故编码MBn宏块时，MAD值只能依赖于MBn－2及之前已编码的宏块预测得到。

1.2 G012码率控制算法 MAD预测

在H.264/AVC的码率控制算法G012中，采用线性预测的方法计算MAD，公式为

式中:参数a1和a2采用线性回归的方法进行更新。

参数a1和a2的计算如公式［4］为

其计算复杂度很高，如果直接采用硬件实现，会消耗大量的硬件资源。

2 改进的码率控制算法

2.1 改进码率控制算法结构

根据上文提及的硬件编码器实现的特点和挑战，该改进码率控制算法结构如图3所示。帧级采用G012算法，然后通过宏块自适应调整模块和Qp决策模块对得到每个宏块的量化参数。Zigzag编码条件下帧级和宏块级码率控制如图3所示。从图中可知，在Zigzag条件下，G012算法帧级码率控制率失真性能好于宏块级码率控制，同时也说明了G012帧级码率控制获取的Qp是相对准确的。并且考虑到硬件实现的数据吞吐和存储带宽问题，基于CPU的帧级码率控制的实现每帧只需通过总线与编码器交互1次数据，对如高清编码器可以大大降低数据吞吐。图4中阴影部分模块是本文重点改进的部分，帧级和宏块级MAD预测，宏块量化参数自适应调整模块，如后文中的式(4)，(5)，(6)，(7)所示。

由于帧内宏块的复杂度不同，根据观察部分宏块MAD值相差很大，故通过宏块自适应模块更加精细地调整量化参数，而不产生视频质量的波动，同时降低缓冲区的波动。公式(4)中QPM［i］为当前帧的帧级量化参数，QPU［i］和 QPL［i］分别表示自适应调整值，二者相差不超过2。公式(5)计算帧级MAD预测值(MADP，F)和宏块级MAD预测值(MADP，M)的MADratio值。最后通过公式(6)计算宏块量化参数，其中a，b通过Matlab计算分别得到1.217 3和0.816 0。为了适合硬件的移位计算，近似规整为a等于155/128，b等于105/128。

2.2 改进MAD预测

2.2.1 帧级MAD预测

为了降低G012码率控制算法中MAD线性预测部分参数更新的复杂度，本文帧级MAD直接采用前3帧MAD(n－1)，MAD(n－2)，MAD(n－3)来预测当前帧MAD(n)的值。根据 Matlab计算得到 a，b，c分别为1.054 4，0.053 0，0.109 5，规整后分别为 135/128，7/128，15/128。Foreman，Carphone，Miss，News测试序列 MAD 预测值和实际值如图5所示，预测误差如表1所示。

图5 Foreman，Carphone，Miss，News 的 MAD 值预测

表1 MAD预测误差

2.2.2 宏块级MAD预测

由于Zigzag宏块编码顺序和宏块流水结构产生数据依赖关系，并考虑到周围宏块和当前编码宏块MBC的相关性，选择当前编码宏块的上方宏块MBU和左边宏块MBL，如图6所示。其中阴影表示前1编码帧相对位置的宏块。采用这4个宏块的MAD值，并考虑到边界情况和3级流水特性，来预测MBC的MAD值。预测流程图如图7所示，其中加权系数通过Matlab计算得到，a，b，c分别为3/4，7/8，4/5。

3 实验结果与分析

本算法基于JM10.2参考模型，搭建每3个宏块行采用Zigzag宏块编码顺序和宏块流3级水模型，在该模型上仿真本文提出的码率控制算法。分别在60 kbit/s，80 kbit/s，100 kbit/s，120 kbit/s 目标码率下测试了低速News序列，高速Foreman和Carphone序列，以及复杂序列Mobile。实验结果如图8和表2所示。经计算，本文提出的算法平均PSNR提高了0.12 dB，帧级MAD预测精度也有所提高，解决了硬件实现时的数据依赖问题，且适合硬件实现。

图8 Foreman，Carphone，News，Mobile 序列率失真曲线

表2 本文算法与G012算法实验结果对比

［1］吕振斌，王惠南.一种H.264基本单元层的码率控制算法［J］.电视技术，2009，33(S1):45－47.

［2］程飞，邹雪妹，滕国伟，等.一种宏块级码率控制方案［J］.电视技术，2010，34(6):23－25.

［3］ CHEN T，CHIEN S，HUANG Y，et al.Analysis and architecture design of an HDTV 720p 30 frames/s H.264/AVC encoder［J］.IEEE Trans.CSVT，2006，16(6):673－688.

［4］ WU P T，CHANG T C，SU C L，et al.A H.264 basic－unit level rate control algorithm facilitating hardware realization［C］//Proc.ICASSP 2008.［S.l.］:IEEE Press，2008:2185－2188.

［5］ CHEN C，HUANG C，CHEN Y，et al.Level C+data reuse scheme for motion estimation with corresponding coding orders［J］.IEEE Trans.CSVT，2006，16(4):553－558.

［6］ KUO C，CHANG L，FAN K，et al.Hardware/software codesign of a lowcost rate control scheme for H.264/AVC［J］.IEEE Trans.CSVT，2010，20(2):250－261.