● 摘要
数字视频，因其直观、准确、高效和易辨识等优点，已成为日常工作和文化娱乐的重要组成，并已成为城市治安管理和国防安全保障的重要信息来源。然而，随着远程视频监控、视频会议等面向异构网络视频应用的迅速增长，网络带宽受限和带宽波动等问题对视频编码技术提出了更高要求。码率控制作为连接视频编码器与网络的双向接口，旨在根据不同的视频内容和不同的网络带宽调整视频编码器的量化参数，使得输出码流满足网络限制的同时，尽量提高视频编码的效率。因此，码率控制对提升网络视频应用的灵活性、高效性和可靠性具有重要意义，它是视频编码领域长期以来的研究热点之一。论文针对现有码率控制算法中存在的核心问题，围绕码率控制中区域差异性和网络适应性等关键点展开深入研究，取得以下主要成果：提出了一种基于区域差异性的P帧码率控制算法。根据P帧中宏块不同的率失真特性将其划分为三个区域，其中区域内各宏块间具有相似的率失真特性，区域间具有不同的率失真特性，将整个区域作为一个基本单元用于码率控制。并提出了一组线性码率-量化步长模型（Rate-Quantization Stepsize，R-QS）和线性失真-量化步长模型（Distortion-Quantization Stepsize，D-QS），用于准确描述不同基本单元的率失真特性。进而建立了针对所有基本单元的全局优化模型，通过求解模型实现了对各基本单元量化参数的优化选取。所提算法实现了一种内容自适应的基本单元码率控制。实验结果表明，与传统的基本单元层码率控制算法（包括帧层和宏块层等）相比，所提算法显著提高了主客观视频质量。提出了一种联合帧间依赖性和相关性的I帧码率控制算法。通过实验发现了帧间依赖关系具有显著的区域差异性，针对运动区域和非运动区域间不同的帧间依赖性特点，提出了一种基于区域的帧间依赖性模型，实现了对帧间依赖性问题的准确描述。综合考虑I帧与前向已编码P帧之间的相关性以及I帧与后续未编码P帧之间的依赖性，提出了一种平稳视频质量的优化模型，通过求解模型为各个宏块选取合适的量化参数，从而有效抑制了GOP切换时的视频“闪烁”现象。并根据人眼视觉特性调整视频“闪烁”敏感区域的量化参数，进一步抑制了视频“闪烁”现象。实验结果表明，与同类算法相比，所提算法在客观质量相近的前提下，显著提高了主观质量，从而实现了平稳视频质量的I帧码率控制。根据可伸缩视频编码的结构特点，提出了一种基于层间相关性的可伸缩视频编码码率控制算法。联合层间相关性信息和帧间相关性信息实现了对增强层MAD值的准确预测，其中根据参考层MAD的变化趋势实现了对MAD值的层间预测。同时考虑非纹理信息和图像复杂度对码率分配的影响，将实际输出码率和目标码率之间的差值作为反馈信息，用于提高码率分配的准确性。在初始QP选取时，不仅考虑了视频图像的分辨率、帧率以及目标码率等因素，而且结合层间相关性信息，综合考虑了视频自身特性和缓冲区限制等因素。实验结果表明，与同类算法相比，所提算法能获得平稳的PSNR值，并能有效抑制缓冲区的剧烈波动，从而减少了因缓冲区上溢而引起的丢帧次数。提出了一种基于双时间尺度的视频流传输控制算法。根据TCP吞吐量模型估算当前带宽，针对当前带宽采用指数平滑模型预测带宽变化趋势，实现了对长时间尺度带宽变化趋势的提取。根据网络反馈信息将网络状态划分为轻载、满载和阻塞三种，针对不同网络状态，通过动态改变加法因子和乘法因子稳升快降地调整估算带宽，实现了对短时间尺度带宽波动的检测。实验结果表明，所提算法不仅能高效合理利用带宽，而且实现了带宽的平稳调整，从而满足了视频传输对TCP友好性、实时性和平滑性的需求。本文部分研究成果已应用于自主研发的某视频处理与传输系统。实际应用表明，本文研究能准确检测网络可用带宽，并自适应生成与之相匹配的视频码流，从而实现了码率控制与视频传输控制之间的有机结合，提高了码率控制在异构网络环境中的适应性。
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