一种新的码率控制算法

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摘 要：传统的码率控制算法不适合于无线环境中转码器的码率控制。在随机最优控制理论的基础上，提出了一种自适应的码率控制算法。该算法能在传输的实时性和播放的连续性之间进行平衡，力图取得最好的综合性能，同时能很好地适应带宽变化，并尽可能地提高带宽资源利用率。

关键词：无线局域网；转码器；码率控制

中图分类号： TP393文献标识码：A

文章编号：1001-9081(2007)04-0805-03

0 引言

为了使编码后的码流速率与信道速率相匹配，提高信道利用率，常常需要利用缓冲技术[4]。缓冲区的容量越大，码流就能更好地适应信道速率，但同时会增加视频数据传输的延迟，过大的延迟会影响传输的实时性，这在某些实时视频通信中是无法忍受的[4]。随着技术的进步，基于无线局域网（Wireless LAN）的流媒体应用，如视频点播、视频会议等也越来越流行。许多实时流媒体应用如果直接在无线信道上传输，由于无线信道的低可靠性，高延迟和剧烈抖动等特点，使得这些应用在传输的实时性以及接收端播放的连续性上不能得到保证，发送端与接收端之间的端到端延迟增大，还可能频繁出现跳帧现象，严重影响了这些应用的服务质量[5]。

到目前为止,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以实现不同带宽环境下的流媒体应用,其中代表性的算法有MPEG2的TMN5[1]码率控制算法，H.263的TMN8[2]的码率控制算法，MPEG4的VM8和VM18[3]的码率控制算法。这些控制算法及其改进算法主要运用于带宽波动较小的有线信道环境，不能满足网络带宽抖动剧烈的无线局域网环境要求。

为了改善此缺点，本文在TMN8测试模型的基础上，提出了一种适用于无线局域环境的速率自适应转码算法。该算法采用了随机控制技术来适应无线信道带宽的随机变化。利用本文给定算法，可在变化频繁的信道传输速率下，使得信源编码速率与信道传输速率相匹配，并在当前一定的信道传输速率下自适应地调整图像质量以满足发送端与接受端之间的时延要求。

1 无线视频通信系统

不同的应用对端到端延迟D的要求不同[5]，如视频点播对延迟的要求不高，只要播放流畅就可以[5]；视频会议对延迟的要求则比较严格，通常应控制在几百个毫秒以内[5]。但凡是视频服务，都不能容忍过于剧烈的抖动，因为D的剧烈变化会破坏视频播放的连贯性。不仅如此，无线网络的实际应用环境对视频的实时传输应用提出了更高的要求：无线通道的容量具有多径衰落的特点，其容量会随着基站与移动主机之间距离的变化而波动，与有线连接相比，无线通道还具有大得多的噪声，这些都造成了无线网络带宽波动的特点。而常用的码率控制算法（如：TMN8等）主要应用于带宽波动较小的有线信道环境，并不适用于图1所示的同时具有有线信道和无线信道的无线通信网络环境。为了改善无线通信环境下的实时视频传输效果，本文提出了一种自适应的码率控制算法。

2 自适应码率控制算法

本文的码率控制算法如图2所示，图中估计器用来估计信道的平均有效带宽。算法根据平均有效带宽来确定期望的缓冲填充度，称之为缓冲设定值。然后根据实际的缓冲填充度和缓冲设定值来确定当前帧的目标码率B和分配量化参数QP。得到分配量化参数QP后，视频流根据其具体取值进行视频编码并通过缓冲输出到信道。

根据图2所示的码率控制算法框架，可以获得与图2相对应的系统结构，如图3所示。监视器周期性的监测转码缓冲的填充度W，模块G根据估计器的结果确定缓冲设定值Wd，控制器L根据缓冲填充度和缓冲设定值Wd来确定当前帧的目标码率B，然后系统根据B的值来分配量化参数给各个宏块。图中的负号表示负反馈，当缓冲填充度W大于缓冲设定值时，控制器降低当前帧的比特数，反之提高分配给它的比特数。这个原理和TMN5相同，不同的是我们考虑了带宽变化的因素。

2．2 码率控制算法

(3)式的第一个二次项是缓冲填充度和期望填充度之间的误差，显然这个值要尽可能的小；第二个二次项表示帧大小的变化，这一项越小，转码后的码率和信道速率就更匹配，信道利用率越大。所以J要尽可能的小。权重系数a>0，b>0反映了上述两个二次指标的相对重要性，E表示数学期望。

3 试验与结论

为了说明本文所述算法的有效性，进行了两组试验，分别为：算法的有效性试验、本文算法与TMN8算法在无线通信网络中进行实时视频传输的控制效果对比试验。其中一组结果如图4―图6所示。实验中部分参数选择如下：

有效性试验（试验结果如图4，图5所示）说明了测试帧序列在初始缓冲为Wd时，不同平均带宽参数下的帧大小和缓冲填充度的变化情况。从图4中可以看出，帧的平均比特数及其变化情况因平均带宽的不同而变化，平均带宽越大，则帧中含有的平均比特数也越大，说明本文所示算法能根据带宽不同自动调节帧所含有的比特数。

由图5可见，当平均带宽较小时，其所对应的流媒体应用的缓冲填充度也较小，算法通过选择较小的缓冲填充度可以降低端到端的时延；而平均带宽较大时，算法选择较大的缓冲填充度以较少缓冲为空的可能性，防止跳帧现象，增强了其抗抖动性。此试验表明，本文所示算法能够在网络带宽变换情况下，通过对缓冲填充度大小的调节来实现时延和抗抖动性之间的平衡，达到在当前网络带宽下的最优收看效果。

本文算法和TMN8算法在无线通信网络中进行实时视频传输的控制效果对比试验结果如图6―图8所示。其中，图6表示的是无线网络带宽的变化情况，图7表示在图6所示网络带宽变化情况下分别应用TMN8算法和本文所示算法进行码率控制下的每帧大小，由图7可以看出，TMN8算法下的帧大小变化幅度较小，其变化情况与信道带宽的变化没有明显联系。而本文所示算法由于考虑了带宽变化的情况，因而帧大小波动较大。图8表示的是TMN8算法和本文算法的缓冲占用度大小对比，由图7可以知道，在网络带宽变化情况下，运用TMN8算法的帧大小变化是较小的，这个特点决定了在网络带宽变化情况下运用TMN8算法时，视频传输应用的缓冲占用度也较小，此时，视频容易出现断续、停顿等现象，不能正常播放；而采用本文算法后（如图8结果所示），缓冲占用度始终维持在一个较高水平，视频图像依旧可以正常播放。由此可以看出，在无线网络带宽变化情况下，本文算法较TMN8算法更具有优越性。

本文提出了一种适用于无线信道的转码器的码率控制算法，设计了帧一级的比特率分配策略，该算法能在端到端延迟和抗抖动之间进行平衡和充分利用信道资源，提高转码器中码率控制的综合性能。相关试验验证了此算法的有效性。

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