3G無線視頻監控系統設計

　　H.264標準中，碼率控制根據式（1）計算第i個z幀組的第j幀配比特數：

　　其中：u（ni,j）表示編碼第i組第j幀時信道可獲帶寬；Fr表示預定幀率；Tbl（ni,j）表示第i個幀組編碼第j幀時目標緩沖區的使用量；Bc（ni,j）表示編碼完第j-1幀時緩沖區的占用量。

　　式（1）強調通用性而沒有對無線環境以及嵌入式設備進行相關處理。本文結合無線網絡誤碼率高以及移動終端處理能力弱的特點對標準中算法進行了優化。首先移動終端統計誤碼率和丟包率，分別記為Ei,j和Li,j,并設定一個值Mi,j表示移動終端反饋的其緩沖使用度。移動終端定時把幾項數據反饋給網絡代理模塊，網絡代理根據移動終端的反饋信息重新對網絡帶寬可用度進行評估并對原算法公式進行調整，計算式為：

　　其中：BWij表示根據移動終端反饋信息獲取的當前帶寬可用度；γi,j表示移動終端承載能力因子；β1、β2、β3和β4為加權系數。在幀組層碼率控制計算第j幀分配的碼字時把原算法的式（1）調整為式（4）。

　　3.2　跳幀

　　為了避免溢出，當緩存區內比特數超過緩存區空間的85%時，跳過當前幀而不對其進行編碼，直到其低于臨界值后再進行編碼。在H.264碼率控制算法的第二步中，根據目標緩存使用量、幀率、可用帶寬和實際緩存占用度以及當前編碼圖像的復雜度，可以由下式計算得到第i個幀組第j幀的目標比特數，計算式如下：

　　其中：。f（ni,j）表示考慮剩余比特數和圖像復雜度后應該增加的比特數；γ為一常數，一般取值0.5,當沒有B幀的情況下取值0.25;.f（ni,j）與式（1）的意義相同。本文利用該公式結果進行碼率控制的同時，優化跳幀策略，即當預測的碼率加上當前緩沖區使用量大于預定閾值Kmax（目前定位為95%）時，可進行主動丟幀處理，即如果不是i幀，就將其丟掉，不作編碼處理。

　　計算如下：

　　當收到移動終端的反饋值M大于85%時，同樣采取跳幀策略，避免造成移動終端緩沖區不夠的丟幀現象發生，因為丟幀丟的如果是i幀，會影響后續視頻幀的重建。該策略可以通過跳過一些復雜度較低、對于整個序列而言并不重要的圖像來為后面復雜度較高、不能丟失的圖像留出緩存區空間。

　　4 測試結果

　　針對本文的無線視頻系統和優化算法，主要測試系統總體性能和碼率控制優化的效果，碼率控制的結果主要以傳輸比特數和PSNR值來衡量。在接收端程序中加入了iBufSizeTotal變量，用來統計發送的數據大小的總和；在拍攝端加入了編碼啟動時間iTimeStart和編碼結束時間iTimeEnd,并加入了變量iFrameCount來統計共編碼了多少幀。針對計算碼率控制的效果，計算碼率控制算法優化前和優化后平均每秒的輸出比特數（碼率），計算式如下：

　　針對編碼優化的效果計算出編碼器優化前后編碼的平均每秒編碼幀數（幀率），計算式如下所示：

　　在進行系統的測試時，將拍攝節點放置在以下四種背景環境中：

　　a）紋理簡單，運動緩慢；

　　b）紋理比較豐富，運動平緩；

　　c）紋理豐富，運動中等；

　　d）紋理復雜，運動劇烈。拍攝的攝像頭采樣模式均設為YUV的4∶2∶0格式。表1顯示了編碼器優化前后的四種背景下每秒幀率的情況。

　　對于碼率控制優化算法實驗的結果通過表格的形式給出。

　　表2給出了標準中原碼率控制算法和本文提出的算法對于六種標準序列在不同目標碼率和幀率下的實際編碼碼率和平均重建圖像的峰值信噪比PSNR值的測試結果；表3給出了原標準算法和本文算法對應的比特率偏移與平均PSNR值差值比較。

　　從表3中可以看出，本文提出的算法可以更為合理地控制碼率，六個序列中四個的峰值信噪比原算法有一定提高，表明本文提出的圖像復雜度因子是合理有效的。

　　為了進一步對比改進算法的效果，本文將視頻序列每幀的PSNR值通過坐標圖的形式給出，圖中橫坐標為幀的編號，縱坐標為對應的PSNR值。本文中給出了具有mobile（碼率限制較高比特128kbps）的視頻序列PSNR圖，如圖4所示，即限定碼率分別為32kbps、64kbps和128kbps的典型視頻。從圖4中可以看出，改進算法的PSNR值波動相對較小，從而在視覺上不會感覺到明顯的圖像質量變化，這就保證了圖像質量的平穩過渡，具有較高的主觀視覺質量。

　　5 結語

　　本文設計并實現了基于3G和H.264技術的無線實時監控系統，并結合無線傳輸以及智能手機處理能力弱的特點，對H.264標準中碼率控制策略進行了優化。