引言：本文在h.264码率控制机制的基础上，提出了一种基于平均绝对差(mad)比率的跳帧算法。该算法将图像的mad比率和缓冲器占用量作为跳帧判别标准，为运动剧烈的图像保留缓冲器空间。实验结果表明，本算法一方面可以有效地降低缓冲器的占用量和节省编码时间，从而在硬件方面表现为降低对缓冲器大小等方面的要求，达到降低成本的目的；另一方面，可以保证图像序列连续性和提高图像质量。

　　大多数视频压缩技术和标准产生的比特率都是可变的，为了能够在恒定比特率的通信信道和网络中传输，需要在码率控制中引入一个缓冲区机制，先将压缩后的码流存入缓冲区，然后以恒定码率输出。因此，码率控制的任务就是在保证缓冲器不产生上溢和下溢的前提下，通过调整一些编码参数(如量化参数)来使编码比特率达到期望值。

　　跳帧策略是码率控制算法中防止缓冲器上溢的手段。以往的跳帧算法往往确定某一个固定的限值(通常为80%)[1]，当缓冲器的占用量到达这个限值时，不考虑下一帧的任何情况就把它跳过。这种跳帧算法的缺陷有两点：当缓冲器占用量达到80％时盲目地跳过下一帧，有可能错过运动剧烈的图像而导致译码后图像序列质量的下降；当缓冲器占用量未达到80%，但却很接近80%时，如果下一帧图像运动比较剧烈的话，较多的编码比特数就会导致缓冲器发生严重的上溢。

　　本文提出了基于mad比率的跳帧判断准则，将当前缓冲器的占用量与每一帧图像的运动剧烈程度结合起来，对缓冲器的占用量设定几个阈值，并且用mad比率来对每幅图像的运动剧烈程度进行标识。对于某个mad比率的图像来说，当缓冲器占用量达到跳帧判别准则中规定的阈值时，即将该帧跳过。这样就可以通过跳过一些运动平缓的图像，而为运动剧烈的图像保留缓冲器空间，从而保证图像序列的连续性，提高图像质量。

　　码率控制算法

　　帧层的码率控制算法

　　帧层的码率控制分为两个阶段：第一阶段为每一个p帧计算一个目标比特数，第二阶段持续地更新率失真模型的各个参数并且进行跳帧控制。

　　假设只有一组图像(gop)，并且图像序列的编码顺序是第一帧为i帧，后面为连续的p帧。假设n表示组图中所有帧的数目，nj表示组图中的第j帧，bc(nj)表示编码第j帧图像后缓冲器实际的占用量，a(nj)表示编码第j帧时实际产生的比特数，bs表示缓冲器大小，tbl(nj)表示第j帧被编码后缓冲器的目标值，rr表示剩余比特数，nr表示组图中剩余的帧数。因此，第j＋1帧图像被编码后缓冲器的实际占用量bc(nj+1)可以表示为[2][3]：

假设第一个p帧的量化参数等于组图的量化参数，所以有：

其它p帧被编码后缓冲器的目标值由下式给出：

因此，考虑缓冲器占用量而得到的目标比特数tbuff可以表示为：

其中gama是个常量，它的值通常为0.75。

考虑剩余比特数而得到的目标比特数tr可以表示为：

所以，最后的目标比特数t可以通过tbuff和tr的加权和得到：

试验中β＝0.5[2]。

宏块层的码率控制

　　在宏块层，根据每一个宏块的mad来给每一个宏块分配比特数并且求出量化参数。宏块层的码率控制分为三个步骤：首先为每一个宏块分配比特数；其次根据目标比特数计算出量化参数；最后在对每一个宏块编码后，进行参数的预测。

a.比特数的分配

　　假设nm表示一帧中宏块的个数，ave_mad表示一帧图像中各个宏块的mad的平均值，mad[i][j]表示第i帧中第j个宏块的mad。因此第i帧中第j个宏块所分配的目标比特数b[i][j]可表示为：

b.计算各个宏块的量化参数

率失真函数是许多码率控制算法的核心，它将量化参数q与编码比特数r联系起来，其关系式为：

　　其中s表示宏块的编码复杂度，x1和x2是率失真模型参数。q值较小时，分配较多的编码比特数；q值较大时，则分配较少的编码比特数。

c.模型参数的预测

在对每一个帧进行编码后，都要根据前面n帧的编码结果对模型参数(x1、x2)进行更新。由上式可以得出：

　　最小均方误差可以表示为：

　　该等式成立的条件是：(a)n>1，(b)所有的n个q值不完全相同。

　　基于mad比率的跳帧算法

　　在恒定比特率应用中，编码器和传输信道间的缓冲器起了十分重要的作用。编码器应该使缓冲器的占用量保持在50％左右。如果缓冲器发生上溢，则会损失一些数据。相反，如果缓冲器的占用量过低就会浪费带宽。当缓冲器的值很高时，避免上溢的方法就是跳过一个完整的帧。

　　由以往的经验可以知道，大多数的跳帧过程都是由于缓冲器上溢引起的。与缓冲器的目标值即缓冲器大小的一半相比较，实际中缓冲器发生上溢的可能性远远大于发生下溢的可能性。缓冲器的占用量低于缓冲器大小25％的情况是非常少见的。因此，有必要把缓冲器的占用量控制在50％左右，以保证缓冲器的占用量有足够的上升空间。

　　下面详细介绍一下基于mad比