隨著視頻及其伴音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG－1,、MPEG－2的制訂，以其為基礎(chǔ)的數(shù)字視頻系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣,。今后,，視頻業(yè)務(wù)將大幅度增多，在一傳統(tǒng)的固定帶寬信道內(nèi),，盡可能多地同時傳送多路經(jīng)MPEG壓縮的視頻節(jié)目的技術(shù)會日趨迫切,。
1 聯(lián)合碼率控制技術(shù)概述
　　當(dāng)多路可變碼率(VBR)編碼視頻節(jié)目在同一固定帶寬信道內(nèi)傳輸時，可利用統(tǒng)計復(fù)用技術(shù)使各節(jié)目碼率相互補償,，動態(tài)分配固定信道,，充分利用信道資源。但它存在下列缺點：(1)統(tǒng)計復(fù)用遵循“大數(shù)定律”,，只有復(fù)用的業(yè)務(wù)數(shù)目N足夠大(N＞10)時,，各路碼率相互補償，才能產(chǎn)生高的統(tǒng)計復(fù)用增益(見第3節(jié)),。若信道帶寬有限,，同時傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)目不多，則復(fù)用后總碼率波動仍會較大,，在固定帶寬信道中傳輸容易丟失數(shù)據(jù),。(2)統(tǒng)計復(fù)用雖可避免各業(yè)務(wù)峰值碼率直接累加，但因圖像內(nèi)容變化不能預(yù)知,，故復(fù)用后總輸出碼率在某一時間段仍可能超過信道帶寬,，致使傳輸過程中丟失數(shù)據(jù)。特別是丟失重要信息(如包頭,、DCT直流及低頻系數(shù))時,，會嚴(yán)重影響圖像甚至該圖像所在整個圖像組(GOP)的質(zhì)量。因此單獨的統(tǒng)計復(fù)用技術(shù)不適用于同時傳輸較少視頻業(yè)務(wù)且對圖像質(zhì)量要求較高的數(shù)字視頻廣播領(lǐng)域,。
　　聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)(見圖1)綜合各路視頻節(jié)目統(tǒng)計數(shù)字量,，對總的可用帶寬進(jìn)行統(tǒng)一分配，使復(fù)用后輸出的碼率不超過帶寬,，不丟失數(shù)據(jù),，且各路節(jié)目質(zhì)量達(dá)到最佳。根據(jù)目前掌握的資料,，聯(lián)合碼率控制技術(shù)尚處于研究階段,，IBM、PHILIPS和DIVICOM等公司正開展此項研究,。

　　與獨立控制MPEG固定碼率編碼中各節(jié)目的碼率不同,，聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)對各編碼器實施聯(lián)合控制,。系統(tǒng)開始工作時，各編碼器可設(shè)置為相同量化參數(shù),；當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測到復(fù)用后的碼率超過信道帶寬時,，就把有效帶寬按圖像復(fù)雜度重新分配，然后改變量化參數(shù),，使各編碼器輸出滿足目標(biāo)碼率,。
　　一些文獻(xiàn)介紹了各自的聯(lián)合碼率控制算法，但均存在一些缺欠,，如：通過監(jiān)測信道緩存器的狀態(tài)調(diào)整碼率的算法^[1],，由于緩存器狀態(tài)并不直接反映圖像變化，因此碼率調(diào)整會導(dǎo)致有相同復(fù)雜度圖像的質(zhì)量差別,；應(yīng)用專用芯片的算法不能通用^[2],；用前一GOP編碼結(jié)果預(yù)測碼率^[3]，使帶寬分配滯后于圖像變化,；按自定義的Super GOP(各路節(jié)目對應(yīng)GOP的組合)和Super Frame(在Super GOP內(nèi)各節(jié)目對應(yīng)幀的組合)結(jié)構(gòu)分配帶寬^[4],，未考慮Super GOP內(nèi)的圖像變化,。雖然各算法對節(jié)目質(zhì)量有一定改善,，但缺乏對圖像變化、帶寬分配,、碼率控制和緩存器狀態(tài)的全面考慮,，各節(jié)目質(zhì)量難以達(dá)到最佳。
　　為此,，本文首次提出模塊化聯(lián)合碼率控制算法,，即將整個碼率控制分為幾個控制模塊，使模塊算法相對獨立且其調(diào)整不影響系統(tǒng)控制的策略,，算法更通用,，能適用不同的編碼芯片。
2 模塊化控制算法
　　系統(tǒng)可劃分為：碼率預(yù)測,、帶寬分配,、量化參數(shù)選擇和緩存器控制等幾個模塊。圖2只畫出了節(jié)目n與各控制模塊的關(guān)系,，其它節(jié)目和控制模塊的關(guān)系與之相同,。

2.1 碼率預(yù)測模塊
　　碼率預(yù)測模塊以選定的時間段(幀或GOP)為單位，提取各路視頻節(jié)目的統(tǒng)計信息,。有兩種碼率預(yù)測方法：前向預(yù)測法^[1][2]和反饋預(yù)測法^[3],。前者是在圖像編碼前，對其進(jìn)行預(yù)處理以提取統(tǒng)計數(shù)字量,?？商崛〉慕y(tǒng)計數(shù)字量有多種,，它們的選擇應(yīng)與編碼器輸出一定質(zhì)量圖像所需碼率密切相關(guān)。例如,，統(tǒng)計數(shù)字量10表示編碼器輸出同等質(zhì)量圖像的碼率是統(tǒng)計數(shù)字量為5時的2倍,。前向預(yù)測法對圖像復(fù)雜度變化和場景切換的反映迅速，但節(jié)目內(nèi)容千差萬別,，活動性與復(fù)雜度大不相同,，要找到能適應(yīng)任何圖像內(nèi)容且與輸出碼率密切相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)字量是個帶有挑戰(zhàn)性的工作。另外,，實時前向預(yù)測需要預(yù)處理芯片,，增加系統(tǒng)成本。
　　反饋預(yù)測法是在圖像編碼后,，采集編碼過程中產(chǎn)生的統(tǒng)計數(shù)字量(圖2中虛線箭頭),，以指導(dǎo)后面圖像編碼。與預(yù)處理法相比,，反饋法不需對圖像預(yù)處理,，運算量較小。但統(tǒng)計數(shù)字量只能是編碼過程中產(chǎn)生的一些信息,，是用前面圖像的統(tǒng)計數(shù)字量預(yù)測后面的圖像,，因此反饋預(yù)測法對圖像復(fù)雜度變化和場景切換的反映不如前項預(yù)測法快速。但由于圖像內(nèi)容會持續(xù)一定時間,，所以反饋預(yù)測法也能對碼率進(jìn)行預(yù)測,。
2.2 帶寬分配模塊
　　帶寬分配模塊可選取多種算法。比較簡單的算法是將可用信道容量分成Cp,、C0兩部分,，前者按預(yù)測的各路節(jié)目碼率分配，使每路節(jié)目保持一可接受的圖像質(zhì)量,；后者按各種節(jié)目預(yù)測碼率的方差分配,，保證復(fù)雜節(jié)目得到更多的碼率，使各路節(jié)目的圖像質(zhì)量統(tǒng)一^[1],。
　　帶寬分配模塊還可按碼率預(yù)測模塊輸出的統(tǒng)計數(shù)字量計算各路節(jié)目的復(fù)雜度,，并按其比例分配帶寬^[3]。復(fù)雜度計算可采用MPEG TM5^[5]中相應(yīng)公式：
　　C＝R×Q
　　式中,，R是圖像編碼的碼率,，Q是圖像的平均量化因子(圖像內(nèi)各宏塊量化因子的平均值)。
　　另一種算法是先定義Super GOP和Super Frame結(jié)構(gòu)^[4],，并給每個Super GOP分配相同的碼率,；然后按TM5中碼率分配方法將Super GOP碼率分配給每個Super Frame；同樣的方法也應(yīng)用于Super Frame中每一幀的碼率分配,。
　　各節(jié)目質(zhì)量統(tǒng)一體現(xiàn)在圖像有相同的失真度上,。根據(jù)率失真理論^[6],，復(fù)雜圖像應(yīng)分配給較多的碼率時，其失真度與簡單圖像相同,。所以,，無論采用何種算法分配帶寬，都應(yīng)使分配給各路節(jié)目的目標(biāo)碼率與其復(fù)雜度成正比,。
　　另外,，帶寬分配模塊在什么時間段上分配帶寬也值得考慮。有兩種選擇：以圖像幀或GOP為時間單位,。按幀分配碼率,，需先確定任一時刻各節(jié)目的圖像類型(各節(jié)目的GOP結(jié)構(gòu)不同，其圖像類型的變化不同步),，以便合理分配碼率,。從圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性上考慮，碼率分配應(yīng)使整個圖像序列的整體質(zhì)量最優(yōu),，而不是某一幀圖像質(zhì)量最佳,，大多數(shù)視頻節(jié)目在GOP內(nèi)發(fā)生場景切換的幾率很小，且GOP內(nèi)三種圖像類型I,、P,、B的排列順序具有重復(fù)性。從而可按預(yù)先確定的比例分配GOP內(nèi)圖像的碼率,，且各幀碼率的波動可在GOP內(nèi)相互補償,。如果某一GOP內(nèi)發(fā)生場景切換,，可把這一GOP內(nèi)余下圖像與下一GOP合成一個大GOP,，使場景切換不影響碼率分配策略。因此,，以GOP為單位分配帶寬更合理,。
2.3 量化參數(shù)選擇
　　量化參數(shù)選擇模塊使各編碼器輸出滿足帶寬分配模塊預(yù)分配的目標(biāo)碼率。量化參數(shù)包括量化因子Q和量化矩陣,。量化矩陣可在圖像級調(diào)整,，量化因子Q可在條或宏塊級調(diào)整。量化矩陣依人的視覺空間頻率特性改變,，相對穩(wěn)定,。碼率的控制和調(diào)整一般通過改變量化因子實現(xiàn)。圖3是量化因子與輸出碼率的關(guān)系,。

　　為使圖像主觀質(zhì)量相對一致,，各路節(jié)目應(yīng)盡量使用相同量化因子^[3]。量化參數(shù)選擇模塊可在量化因子取值范圍(1～31)內(nèi)搜索,，選擇合適的Q使編碼器輸出最接近的目標(biāo)碼率,。由圖3可知,，量化因子較小時，其增減1都會使碼率變化很大,。所以,，滿足目標(biāo)碼率的Q有可能不是整數(shù)。如選用整數(shù)Q,，即圖像內(nèi)每個宏塊使用相同Q,，編碼器輸出可能與目標(biāo)碼率有偏差，但碼率偏差可在緩存器中相互補償,。
　　圖像平均量化因子也可為小數(shù)值,，即圖像內(nèi)條或宏塊選用不同Q值。量化參數(shù)選擇模塊可以結(jié)合人眼特性,，預(yù)先確定多種Q的選取模板,，供圖像按其活動性、復(fù)雜度和內(nèi)容等選用,，保證圖像主觀質(zhì)量最佳,。例如，一幅中間部分細(xì)節(jié)較多的圖像Q若是3.75,，可讓圖像邊緣占宏塊總數(shù)四分之三的宏塊的Q值取為4,，中間部分其它四分之一宏塊的Q值取為3。這樣,，不受觀眾注意的圖像邊緣量化較粗,，而圖像中心量化較細(xì)，整幅圖像主觀質(zhì)量最佳,。
2.4 緩存器控制
　　緩存器控制模塊對碼率加入限制以使緩存器不發(fā)生上,、下溢^[3]?？稍O(shè)置一緩存器閾值系數(shù)α,，令輸出的總碼率B_f滿足：
　　αB_s≤B_f≤(1－α)B_s
　　式中B_s為緩存器容量。如果碼率超出此閾值,，緩存器控制模塊指導(dǎo)帶寬分配模塊重新分配帶寬,。α決定著緩存器利用率的大小，應(yīng)根據(jù)實際情況靈活選取,。
　　碼率預(yù)測,、帶寬分配、量化參數(shù)選擇和緩存器控制是聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)中最重要的幾個模塊,，它們之間并不是獨立,、割裂的，而是相互影響,、相互制約的,。因此,，要從使整個系統(tǒng)性能最佳的角度選擇這幾個模塊的算法。
3 聯(lián)合碼率控制性能評價
　　評價聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)性能有兩項指標(biāo)：統(tǒng)計復(fù)用增益(G)與峰值信噪比(PSNR),。多路MPEG VBR視頻節(jié)目的統(tǒng)計復(fù)用增益G定義為：在同一固定帶寬信道內(nèi),，可傳輸?shù)慕?jīng)過復(fù)用且具有同等或更佳圖像質(zhì)量的VBR視頻業(yè)務(wù)數(shù)目對可傳輸?shù)腃BR視頻業(yè)務(wù)數(shù)目之比^[1]。通常G越大,，復(fù)用性能越佳,，可同時復(fù)用的VBR視頻業(yè)務(wù)數(shù)目也越多。
　　用PSNR評價聯(lián)合碼率控制系統(tǒng)性能的方法是：求復(fù)用后各路VBR視頻節(jié)目的峰值信噪比與傳輸同等數(shù)目CBR視頻節(jié)目時的峰值信噪比之比,，所得PSNR的增加量即表征圖像質(zhì)量的改善程度,。峰值信噪比的計算式為：
　　
　　式中，n(x,、y,、z)是在象素(x、y,、z)上疊加的噪聲,，M是總的象素數(shù)。
　　總之,，聯(lián)合碼率控制技術(shù)能消除統(tǒng)計復(fù)用的信息丟失缺陷,，將復(fù)用后的視頻業(yè)務(wù)碼率限制在信道容量之內(nèi)，且各節(jié)目的圖像質(zhì)量保持一致,，適用于數(shù)字視頻廣播,。本文首次提出模塊化聯(lián)合碼率控制，將系統(tǒng)分為幾個控制模塊,，模塊算法的調(diào)整不影響整體控制策略,，其目的是增強(qiáng)算法的通用性，使其適用不同編碼芯片,，得到更廣泛的應(yīng)用,。
　　對模塊化聯(lián)合碼率控制技術(shù),，還有很多待研究的課題,。包括選擇合適的算法提高系統(tǒng)運算速度和工作性能；研究不僅按圖像復(fù)雜度分配碼率,，而且通過設(shè)置優(yōu)先級保證重點節(jié)目有足夠碼率的方法,；研究較“峰值信噪比”更能正確地反映重建圖像主觀質(zhì)量的客觀量等。