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目录

1课题背景1

2课题内容2

2.1课题内容介绍2

2.2课题内容分析2

2.2.1MPEG-2简介2

2.2.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术4

2.2.3码率控制4

2.2.4MPEG-2TM5的码率控制算法6

2.3课题内容总结6

3设计方案6

3.1码率控制因素分析6

3.2MPEG-2TM5的码率控制算法研究7

3.3系统调试和分析8

4设计进度8

参考文献9

1课题背景

随着科学技术的飞速发展，多媒体、网络通信已成为我们生活的一部分，人们正在进入数字信息时代。

然而，数字化了的信息带来了“信息爆炸”，数字化后的信息，尤其是数字化后的视频信号的数据量之大非常惊人。

庞大的数据不仅给存储器、信道传输、接收设备及计算机速度都增加了极大的压力，而且制约了多媒体技术实用化的进程。

对这一问题的解决，单纯从扩大存储器容量、增加通信线路传输率上考虑，目前是不现实的。

利用数据本身的特点和人类的视觉特性，通过有效压缩手段，把信息数据量压下来，是一个行之有效的方法。

以压缩的形式存储和传输数据信息，既节省了存储空间，又提高了通信线路的传输效率，同时也使计算机实时处理音频、视频信息，保证播放出高质量的视频、音频节目成为可能。

由于数字音、视频及多媒体技术迫切需要压缩巨大的视频信号数据量，适用于不同应用领域的国际编码标准应运而生。

国际上主要有三个制定有关图像/视频压缩编码标准的组织:

国际标准化组织（ISO:

InternationalStandardizationOrganization）、国际电工委员会（IEC:

InternationalElectroTechnicalCommission）和国际电信联盟（ITU:

InternationalTelecommunicationUnion）。

许多标志压缩编码技术迅速发展和广泛应用的视频图像压缩编码国际标准就是上述3个组织于20世纪90年代制定的。

如：

ISO/IEC关于静止图像的编码标准JPEG，ITU-T关于电视电话/会议电视的视频编码标准H.261，H.263和ISO/IEC关于活动图像的编码标准MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等，而MPEG-7和MPEG-21也都在研究中[1]。

这些标准融合了各种性能优良的图像编码方法，集中了图像编码领域的最新研究成果，反映了目前图像编码的发展水平和最新进展。

MPEG-1标准是1993年，针对低于1.5Mbps速率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码制定的国际标准。

随着多媒体技术、数字电视技术的快速发展，MPEG-1已无法满足分辨率和传输率等方面的需求，于是1995年，MPEG组织在MPEG-1标准的基础上，推出了MPEG-2标准。

MPEG-2主要针对数字视频广播、高清晰度电视和数字视盘等应用制定的图像及其伴音的编码标准。

MPEG-2标准目前分为9个部分，统称为ISO/IEC13818国际标准。

该标准通过定义多种“类”（Profile）和“级”（Level），覆盖尽可能多的应用领域，因而是一种通用的压缩编码标准。

其中MP@ML（MainProfile，MainLevel）主类和主级是DTV（数字电视）广播和DVD（数字视盘）的通用格式，主要用于卫星广播、有线电视、数字视频光盘等领域[2]。

与MPEG-1标准相比，MPEG-2标准支持隔行扫描视频格式在空间分辨率、时间分辨率和信噪比方面，提供可分级性:

支持4:

2:

0，4:

2:

2，4:

4:

4采样格式。

将经过压缩的视频数据进行远程传输时，需要考虑网络拥塞、信道带宽及终端处理能力。

码率控制策略的目的就是通过调整编码端的编码参数，保证信道正常传输，并获得尽可能好的图像质量，从而为传输高质量多媒体视频提供良好的技术平台。

码率控制是视频编码器的重要组成部分，因为在视频编码过程中，输出的视频质量和码率是相互影响的。

当要求视频质量越好，则输出的比特数就应越高，但由于受带宽或存储容量大小的限制，因此在视频编码器中需要将输出的比特数控制在一定的范围内，以便在满足带宽或存储容量限制的同时，尽可能获得最好的视频质量[3]。

这里所采用的控制策略就是码率控制算法。

可见，码率控制策略是视频编码器成功与否的关键因素之一。

目前已有很多学者和研究机构提出了许多不同的码率控制算法，其中典型的有H．263的TMN8的码率控制算法，MPEG-4的VM8、VM18码率控制算法，H．264JM中的码率控制算法以及基于P-domain模型的码率控制算法等[4]。

这其中使用最为广泛的是MPEG-2的TM5码率控制算法。

TM5码率控制算法的特点是码率控制准确，实现简单，但它本身也存在着一些不足。

总之，TM5模型是一个世界范围内广泛应用的MPEG编码实现的测试模型，它很好地完成了MPEG的算法实现，为MPEG-1/MPEG-2标准的进一步修改和推广起到了非常重要的作用。

2课题内容

2.1课题内容介绍

当前，要求视频流适合于各种带宽条件下的网络传输，对于不同的带宽要控制视频流达到与之相适应的码率，这样才能保证视频流的正常传输。

MPEG-2视频流编码压缩过程包括了一种有效的控制算法，该算法是通过MPEG-2测试模型5（TM5）来实现的。

本课题的主要内容如下：

（1）首先深入理解MPEG-2视频编码标准的基本原理；

（2）其次深入分析MPEG-2TM5码率控制算法的基本原理和技术细节，通过对视频素材的编码调试，进一步说明TM5码率控制的原理和优缺点；

（3）最后针对其局限性，提出改进建议。

2.2课题内容分析

2.2.1MPEG-2简介

MPEG-2制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。

MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间，其在NTSC制式下的分辨率可达720X486，MPEG-2也可提供广播级的视像和CD级的音质。

同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。

除了作为DVD的指定标准外，MPEG-2还可用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播（DirectBroadcastSatellite）提供广播级的数字视频。

MPEG-2的另一特点是，其可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的要求[5]。

MPEG-2的编码码流的六个层次从上至下依次为：

视频序列层（Sequence），图像组层（GOP：

GroupofPicture），图像层（Picture），像条层（Slice），宏块层（MacroBlock）和像块层（Block）。

如图1所示：

图1MPEG-2的编码码流的六个层次

MPEG-2中编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。

I帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。

I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取，以及节目的切换和插入，I帧图像的压缩倍数相对较低。

I帧图像是周期性出现在图像序列中的，出现频率可由编码器选择。

P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。

P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。

P帧图像中可以包含帧内编码的部分，即P帧中的每一个宏块可以是前向预测，也可以是帧内编码。

B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数[6]。

值得注意的是，由于B帧图像采用了未来帧作为参考，因此MPEG-2编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。

2.2.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术

MPEG-2标准目前分为9个部分。

其中第二部分－ISO/IEC13818-2，Video：

视频，描述视频编码方法。

MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列，按编码图像的分辨率分成四个“级（Levels）”；按所使用的编码工具的集合分成五个“类（Profiles）”。

“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集：

对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。

在20种可能的组合中，目前有11种是已获通过的，称为MPEG-2适用点。

在MPEG-2的五个“类”中，较高的“类”意味着采用较多的编码工具集，对编码图像进行更精细的处理，在相同比特率下将得到较好的图像质量，当然实现的代价也较大。

较高类编码除使用较低类的编码工具外，还使用了一些较低类没有使用的附加工具，因此，较高类的解码器除能解码用本类方法编码的图像外，也能解码用较低类方法编码的图像，即MPEG-2的“类”之间具有后向兼容性。

目前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级，而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。

概括地说，MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：

空间相关性和时间相关性。

一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的，因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系，这种关系叫作空间相关性；一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成，一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系，这种关系叫作时间相关性。

这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。

如果我们能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。

而接收机利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。

一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。

MPEG-2视频压缩方案中包含的关键技术环节：

1、余弦变换DCT；2、量化器；3、之型扫描与游程编码；4、熵编码；5、信道缓存；6、运动估计；7、运动补偿[7]。

2.2.3码率控制

对于运动图像压缩标准，无论是MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，还是H.263，仅详细规定了压缩码流的语法结构、基本压缩算法，而对算法的实现没有限定。

这种开放式的框架使得标准既方便了不同产品间的互连，又允许人们根据应用背景，确定不同的编码策略，以提高编码效率。

其中的码率控制就是编码策略的重要内容之一。

目前运动图像压缩标准基本上采用MC+DCT的混合编码，一般数字图像或残差图像需要经过DCT、量化、熵编码等步骤，输出编码后的比特流。

由于视频序列中不同类型帧采用的编码方式不同，各帧图像的复杂度和帧间图像的运动情况也不尽一样，最后通过可变长编码生成的视频码流可能波动很大。

所以无论是对于存储媒体还是通信传输的应用，都需要采用适当的策略来控制编码器，将编码器的输出码率限制在一定的范围之内，这就是所谓的码率控制（RateControl）。

码率控制一般通过引入缓冲区与调节量化参数来实现。

将编码生成的变码率码流先放到缓冲区，而从缓冲区以固定速率将码流输出到信道上。

通过量化参数的调节以保证缓冲区既不上溢也不下溢[8]。

其实现算法大体可分为两类：

前向控制与后向控制。

前向控制是通过对各编码单位编码输出的比特数预测或用实验方法确定相应的量化步长；后向控制方法主要是依据缓冲区状态与信道速率来动态调整各编码单位的步长。

前向控制算法不能保证预测的完全准确，而后向控制算法会引起量化参数较大的波动，从而导致图像质量起伏。

因此，在实际的码率控制策略中，往往是两种算法的综合运用。

图2后向码率控制方法

图3前向控制与后向控制相结合的码率控制

简言之,码率控制就是通过不停地调整编码参数Qp来控制缓冲区中比特的占有度，使其尽量达到稳定，不出现上溢和下溢的情况；同时在保证缓冲比特占有度稳定的前提下，尽量保证图像质量的稳定。

2.2.4MPEG-2TM5的码率控制算法

在码率控制中，输出码率和编码质量是需要考虑的两个方面。

根据应用不同，有的编码系统的码率控制策略侧重于满足编码码率要求，如目前广泛使用的TM5的码率控制策略。

在MPEG-2编码语法中，输入的视频序列被分为若干图组GOPs（GroupofPictures）[9]。

每个GOP中，第一帧是I帧，其余是P帧或B帧。

在编码某帧图像前，首先根据不同帧类型压缩效率不同，进行基于帧层的目标比特分配，这是TM5采用的码流控制策略的第一步。

接着根据缓冲区充盈度，进行基于宏块层的量化参数参考值的确定，即码率控制。

最后，根据宏块空间活动性，动态调整宏块量化参考值，保证实际编码比特数接近目标比特数，即自适应量化过程。

众所周知，MPEG-2的TM5码率控制算法是一种优秀的码率控制算法，由于它引入了复杂度分析、码率分配、码率控制、自适应量化等概念方法，从而可以较准确地控制视频流的输出码率，它对普通视频序列的压缩效果方面表现很不错，但因为算法本身的局限而没有办法避免一些困难[10]，如：

（1）MPEG-2的TM5码率控制算法没有考虑处理场景切换带来的问题；

（2）同一画面中宏块与宏块之间编码质量不均匀；

（3）自适应量化时，对量化参数的调整不适当、不均匀，并存在着对某些参数的过度调节；

（4）码率控制算法前后各个步骤的之间并不能有效地一起工作，存在着互相抵消效率的问题，从而导致编码效率的下降。

2.3课题内容总结

针对MPEG-2TM5码率控制算法存在优点和局限性，本设计首先需要理解MPEG-2视频编码标准的基本原理，然后深入研究MPEG-2视频流TM5码率控制算法，最后运用VisualC++6.0软件进行仿真，并提出改进建议。

3设计方案

3.1码率控制因素分析

现有的几个通用视频压缩标准基本上采用类似的算法进行压缩：

帧内8×8离散余弦变换（DCT）为基础的压缩，用于减少空间冗余；帧间运动补偿（MC）为基础的压缩，用于去除时间冗余。

另外，采用变字长编码（VLC），进一步去除己编码数据的统计冗余[11]。

基于MC+DCT技术的混合编码器结构如图4所示。

为了能够比较合理地分配目标比特数，实现对编码器的输出比特率的控制，首先需要对影响输出码率的因素进行定性分析。

图4基于MC+DCT的编码器结构

3.2MPEG-2TM5的码率控制算法研究

TM5码率控制算法的步骤可以总结为以下三步：

（1）目标比特分配（Targetbitallocation）：

在进行基于帧层的目标比特分配时，首先根据已编码帧信息，按不同帧类型预测待编码帧的复杂度。

（2）码率控制（Ratecontrol）：

分配完目标比特数后，根据反馈的虚拟缓冲区占有率，进行量化参数值的确定。

（3）自适应量化（Adaptivequantization）：

TM5算法根据宏块空间活动性，利用人眼对图像变化平滑区域的失真比较敏感的特点，动态调整宏块量化参考值，在一定码率下改善图像的主观质量。

图5TM5的码率控制策略

归纳起来，TM5码率控制策略的特点如下：

在帧层，根据不同帧类型分配不同的比特数；在宏块层，自适应量化充分考虑人的视觉特性，通过加大高活动区的量化参数，相应减小低活动区的量化参数，在一定码率下改善图像的主观质量。

由于在计算帧层目标比特数时，编码帧复杂度是通过前一个同类型编码帧获得，因此，该值与实际情况间存在一定的偏差。

3.3系统调试和分析

在对MPEG-2视频流TM5码率控制算法深入理解的基础上，熟悉相关代码，找出控制码率的相应参数，运用VisualC++6.0软件进行仿真，通过对输出码流的调试和分析进一步说明TM5的原理和优缺点。

预期结果：

根据以上方案，通过对MPEG-2视频流TM5码率控制算法进行深入研究，运用VisualC++6.0软件进行仿真，对三个视频素材进行编码，观察输出码流的相关指标，并运用StreamEyeTools工具进行分析；最后，针对其局限性，提出改进建议。

4设计进度

08-09第一学期：

选择课题，搜集资料，完成毕业设计外文翻译

08-09第二学期：

第1周方案论证，开题报告

第2-5周深入研究MPEG-2TM5码率控制算法

第6-8周具体方案设计

第9-12周研读程序，上机调试

第13-15周撰写毕业论文，准备毕业答辩

参考文献

[1]尚书林，杜清秀．TM5码率控制算法的分析和改进[J]．中国图象图形学报．2005年07期：

90-95

[2]吴东伟，樊养余，赖昌材．基于H.264码率控制算法的改进[J]．计算机应用．2006年09期

[3]白小燕，崔慧娟，唐昆．场景自适应码率控制算法研究[J]．微计算机信息．2005年26期：

115-117

[4]张翼，王晓阳．MPEG-2到H.264转码码率控制方案[J]．有线电视技术．2008年09期

[5]张佳．MPEG-2码流的层次分析[J]．有线电视技术．2008年09期

[6]张文详．一种视频编码的码率控制改进算法[J]．计算机应用．2005年01期

[7]王建松．MPEG-2视频编码流的码率变换技术的研究[J]．通信学报．1999年05期

[8]钟玉琢．MPEG-2运动图像压缩编码国际标准及MPEG的新进展[M]．北京：

清华大学出版社,2002．96-99

[9]余兆明．MPEG标准及其应用[M]．北京：

北京邮电大学出版社,2002．80-82

[10]翁成坚，何芸．低码率活动图像编码[J]．通信学报．1997，18（7）：

38-42

[11]郭映．视频编码及转换编码码率控制算法的研究[D]．中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士）．2005年07期