● 摘要
目前，数字视频逐渐成为人们获取信息的重要来源，高效的数字视频编码技术成为国内外研究和应用的热点。现有的视频编码标准虽然规定了视频解码的过程以及压缩码流的语法结构，但对编码算法的具体实现并没有完全限定，这种开放式框架使得人们可以根据各自的应用来设计不同的编码方案。码率控制技术作为标准的开放部分之一，因其直接关系着视频重建质量与输出带宽等，而且可以根据具体的应用环境自主的设计选择各种算法，多年来一直是视频编码领域的研究热点。本文深入研究了面向视频内容的码率控制的关键技术，考虑视频帧间的数据相关性和视频帧内的区域差异性，具体研究成果与工作包括以下几个方面： （1）提出了一种基于帧间失真相关性的视频质量恒定码率控制算法 分析视频编码过程中影响恢复视频质量的因素，提出了一种有效的视频质量恒定码率控制算法。建立了编码效率模型和帧间失真相关性模型，并根据帧间失真相关性模型的中间结果，完成场景切换检测。在编码过程中基于场景检测自动确定视频帧类型，根据已编码帧失真对后续帧的影响自适应地分配I、P、B帧码率和计算量化参数。实验结果表明本文算法能够自适应地反映视频序列间内容相关性的变化，使得重建视频质量具有平稳性，有效减少了视频帧间的质量波动。 （2）提出了一种基于视觉特性的宏块层码率控制算法 通过将人类视觉特性引入到码率分配过程中，提出了一种基于视觉特性的宏块层码率控制算法。首先根据压缩过程中的运动矢量、宏块类型等信息，自动分割运动区域；其次，针对标准中宏块级码率控制算法的问题提出改进措施，包括宏块复杂度和头信息量的估计、二阶模型更新过程的数据点选择和基于线性失真模型的量化参数计算；最后，根据区域的运动特点调整各宏块的量化参数，使其更符合人眼视觉特性。结果表明算法在提高编码效率的同时，明显改善了主观视觉效果。 （3）提出了一种基于条带结构的低延迟恒定码率控制算法 由于现有基于帧/场的编解码器结构存在较大的固有延迟，并不满足某些对延时有特殊需求的实时应用场合。针对这一问题，设计了一种基于条带的低延迟编码结构，通过统计条带差分直方图预测当前视频帧复杂度，进而提出了相应的低延迟码率控制算法。在优化实现的高性能MPEG-4视频编解码系统平台上，验证了该编码结构和码率控制算法的有效性。实验结果表明，基于条带的低延迟编码结构比基于帧/场编解码方式减少了100ms以上的系统固有延迟，在保持重建视频质量的同时，码率产生均匀，较好满足了某些应用场景下的低延迟要求。