AVS標準中的視頻碼流緩沖區(qū)校驗?zāi)Ｐ头治?/h1>

2012-06-06 08:13:58王小根趙海武李國平滕國偉王國中

電視技術(shù)訂閱 2012年1期 收藏

關(guān)鍵詞：碼流解碼器緩沖區(qū)

王小根，趙海武，李國平，滕國偉，王國中

(上海大學通信與信息工程學院，上海 200072)

視頻編碼中每一幀的編碼數(shù)據(jù)通常是不一樣的，特別是在利用視頻序列的時域相關(guān)性進行壓縮編碼時，采用幀內(nèi)模式編碼的幀和采用幀間模式編碼的幀的編碼數(shù)據(jù)量會差別很大。而信道的數(shù)據(jù)傳輸率經(jīng)常是穩(wěn)定而有限的，或者說從傳輸?shù)慕嵌?，希望視頻編碼數(shù)據(jù)的速率越穩(wěn)定越好，最好是恒定碼率。因此，利用緩沖區(qū)對視頻編碼數(shù)據(jù)的速率進行平滑是必須的。在 MPEG－2［1］和 AVS［2］等標準中，都規(guī)定了碼流緩沖區(qū)校驗?zāi)Ｐ?，來?guī)范碼流的緩沖。

緩沖區(qū)的本質(zhì)是用延遲來換取碼率的穩(wěn)定，因為緩沖必然會帶來延遲。緩沖的數(shù)據(jù)越多，碼率越穩(wěn)定，延遲也越大。然而，在電視廣播等應(yīng)用中延遲是不能太大的，當然，在其他應(yīng)用中延遲可以很大，但也是有限制的。在延遲有限，也即緩沖區(qū)有限的情況下，就需要對每一幀的編碼數(shù)據(jù)量進行控制，以達到碼率穩(wěn)定的目的。因此，緩沖和延遲最終需要用碼率控制來實現(xiàn)［3］。

本文對MPEG－2和AVS的碼流緩沖模型進行了比較詳細的分析。

1 和碼流緩沖模型相關(guān)的幾個概念

1.1 解碼時刻

首先，討論解碼器何時開始解碼的問題。解碼器開始解碼的時刻和碼流中的bbv_delay，bbv_buffer_size以及l(fā)ow_delay等3個信息相關(guān)。

當bbv_delay!=0xFFFF時，某一幀(包括開始解碼的第一幀)的解碼時刻等于該幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻加上該幀的bbv_delay(bbv_delay出現(xiàn)在每一幀的頭部)，這是最常見的情況。

當bbv_delay==0xFFFF時，第一幀的解碼時刻是緩沖區(qū)被充滿的時刻。緩沖區(qū)被充滿的時間由bbv_buffer_size和bit_rate共同確定。事實上，緩沖區(qū)被充滿的時間等于二者的商。顯然，這種情況下，從第一幀的編碼數(shù)據(jù)開始進入緩沖區(qū)到第一幀被解碼的延遲是不確定的，它和第一幀以及后續(xù)若干幀的編碼數(shù)據(jù)量有關(guān)。編碼器要控制每一幀的編碼數(shù)據(jù)量，以保證開始解碼后緩沖區(qū)不會發(fā)生上溢或下溢。

當low_delay==1時(此時bbv_delay不應(yīng)等于0xFFFF)，在每一幀的頭部會包含緩沖區(qū)檢測次數(shù)信息bbv_check_times。解碼器會按照規(guī)定的時間間隔檢測緩沖區(qū)，檢測bbv_check_times+1次后解碼器開始解碼。通常bbv_check_times的值是0，即解碼器只檢查緩沖區(qū)1次，這和low_delay==0時是一樣的。

其次，討論開始解碼后每一幀的解碼時刻，也就是解碼時間間隔。

解碼時間間隔和解碼器的輸出是密切相關(guān)的。解碼器一旦開始輸出解碼圖像，就必須連續(xù)輸出解碼圖像，直到解碼過程結(jié)束。要想做到連續(xù)不間斷地輸出解碼圖像，就必須在輸出一個解碼圖像的同時解碼下一個圖像。因此，解碼器輸出圖像的時間間隔就是解碼圖像的時間間隔。假設(shè)第n幀圖像的解碼時刻是tn，輸出(或者說回放)第n幀圖像的時間是in，那么第n+1幀圖像的解碼時刻

通常情況下，輸出一幀的時間就是幀速率的倒數(shù)，也稱幀時間間隔。輸出一場的時間就是場速率的倒數(shù)，也稱場時間間隔。但是，由于存在3∶2下拉等幀速率的轉(zhuǎn)換，使得輸出一幀圖像(這里指的是碼流中的一幀，以幀頭開始，到下一幀的幀頭結(jié)束)的時間顯得有些復(fù)雜。

在AVS標準和MPEG－2標準中，圖像輸出顯示的時間和序列頭中的progressive_sequence(PSeq)，progressive_frame(PF)以及幀頭中的 picture_structure(PStr)，top_field_first(TFF)，repeat_first_field(RFF)等幾個參數(shù)有關(guān)。為了讀者參考方便，本文將它們之間的關(guān)系整理如表1所示。其中NA表示不起作用，第一列是progressive_sequence和progressive_frame兩個參數(shù)的所有可能組合，最后一列是圖像的輸出情況。輸出一幀所需的時間是幀時間間隔，在數(shù)值上等于幀速率的倒數(shù)，輸出一場所需的時間是場時間間隔，在數(shù)值上等于場速率倒數(shù)。

表1 圖像輸出顯示的時間和序列頭中參數(shù)關(guān)系

當low_delay==1時，解碼時間間隔更加復(fù)雜一些，因為碼流中可能存在大圖像。所謂大圖像，就是圖像頭中的bbv_check_times不是0的圖像。大圖像的檢測緩沖區(qū)時間間隔是幀速率的倒數(shù)，其他圖像的解碼時間間隔和low_delay==0時一樣。所謂的“檢測緩沖區(qū)”，實際上就是“嘗試解碼”。

1.2 瞬時移出假設(shè)

當解碼時刻到來時，被解碼圖像的所有編碼數(shù)據(jù)是瞬時移出碼流緩沖區(qū)的。一幀圖像的編碼數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容，在AVS和MPEG－2標準中有明確的定義，這里不再贅述。第n幀圖像的編碼數(shù)據(jù)量用fn來表示。

1.3 編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻

顯然，對于一個視頻序列，每一幀的編碼數(shù)據(jù)是按照編碼順序進入緩沖區(qū)的。第n幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時間記為en。解碼器把收到第n幀開始碼后第一個比特的時刻記錄為en，它和編碼器把第n幀開始碼后第一個比特寫入碼流的時刻間隔一個固定的時間，這個時間是碼流通過信道產(chǎn)生的延遲。假設(shè)碼流通過信道產(chǎn)生的延遲是固定的，以此實現(xiàn)編碼器和解碼器的同步。

為方便起見，把第n幀頭部的bbv_delay所表示的時間記為dn。解碼器根據(jù)en和dn確定第一幀的解碼時刻，即

因為解碼器可能從碼流的中間某些位置開始解碼，所以上式中的序號仍然用n，而不是1。當bbv_delay==0xFFFF時，第一幀的解碼時刻是碼流緩沖區(qū)充滿的時刻，這時(2)可以表示為

式中:S是碼流緩沖區(qū)的容量，R是碼率，這兩個參數(shù)都是編碼器在序列頭中設(shè)定的。

第一幀的解碼時刻確定以后，根據(jù)式(1)確定后續(xù)各幀的解碼時刻，再根據(jù)各幀的解碼時刻，和各幀的延遲dn，倒推出各幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻，即

這是確定編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻的過程。之所以這么復(fù)雜，是因為編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率是可變的。即不總是以序列頭中設(shè)置的速率R進入緩沖區(qū)。所以，無法根據(jù)fn和R來遞推每一幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻。

式(3)適用于解碼器。對于編碼器，具有一定的靈活性，即編碼器可以在滿足式(3)的前提下，調(diào)整dn和en。編碼器調(diào)整dn和en，是通過調(diào)整第n－1幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率來實現(xiàn)的。第n－1幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率高，就會早一些結(jié)束，從而第n幀的編碼數(shù)據(jù)就可以早一些開始，反之亦然。所以，這里有一個假設(shè)，即第n－1幀數(shù)據(jù)結(jié)束進入緩沖區(qū)的時刻就是第n幀數(shù)據(jù)開始進入緩沖區(qū)的時刻。即

式中:τn－1是第 n－1 幀進入緩沖區(qū)所需的時間。

1.4 緩沖區(qū)的溢出

當某一幀的解碼時刻到來時，如果該幀的編碼數(shù)據(jù)沒有完全進入緩沖區(qū)，則緩沖區(qū)發(fā)生下溢;如果在某個時刻，緩沖區(qū)沒有足夠的空間存放需要進入緩沖區(qū)的編碼數(shù)據(jù)，則緩沖區(qū)發(fā)生上溢。

通常情況下，編碼器必須保證緩沖區(qū)不發(fā)生下溢和上溢。當bbv_delay==0xFFFF時，緩沖區(qū)不存在上溢，因為緩沖區(qū)被充滿以后，編碼數(shù)據(jù)可以等待，暫時不進入緩沖區(qū)。當low_delay==1時，如果某一幀的編碼數(shù)據(jù)量太大，造成該幀的編碼數(shù)據(jù)無法在按照式(1)遞推的解碼時刻完全進入緩沖區(qū)，則編碼器可以將其設(shè)置成大圖像，其實就是讓解碼器進行額外的等待，以保證緩沖區(qū)不發(fā)生下溢。即使如此，緩沖區(qū)還是可能發(fā)生下溢，例如當某一幀的編碼數(shù)據(jù)量超過緩沖區(qū)的容量時，無論等待多少時間，緩沖區(qū)都會發(fā)生下溢。雖然當low_delay==1時，緩沖區(qū)下溢是允許的，但是會給解碼帶來很大的麻煩，而且標準中沒有規(guī)定緩沖區(qū)發(fā)生下溢時解碼器的處理方法，編碼器也就不知道解碼器會如何處理。因此，本文建議編碼器還是要避免緩沖區(qū)發(fā)生下溢。

編碼器可以通過控制每一幀的編碼數(shù)據(jù)量、控制每一幀的編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻和設(shè)置合適的延遲來保證緩沖區(qū)不發(fā)生溢出。

2 碼流緩沖模型

2.1 bbv_delay!=0xFFFF且low_delay=0時的緩沖模型

首先考慮最常見的情況，即bbv_delay的值不是0xFFFF且low_delay的值不是1。如圖1所示(此時可能存在幀率轉(zhuǎn)換，可能是CBR，也可能是VBR)。

圖1 緩沖區(qū)模型示意圖

本節(jié)的目的是導出保證緩沖區(qū)不發(fā)生溢出的條件。

當?shù)趎－1幀編碼結(jié)束時，根據(jù)解碼時刻的遞推關(guān)系，可以確定第n幀的解碼時刻tn，即tn是已知的。根據(jù)編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的假設(shè)式(4)，第n幀編碼數(shù)據(jù)開始進入緩沖區(qū)的時刻en也是已知的。根據(jù)(2)和(3)，第n幀的延遲dn也是已知的。

由圖1可知，第n幀編碼數(shù)據(jù)在其解碼時刻到來之前全部進入緩沖區(qū)(即緩沖區(qū)不下溢)的充分必要條件是

對于解碼器，式(5)中的所有量都是已知的，可以通過上式檢驗緩沖區(qū)是否發(fā)生下溢。

緩沖區(qū)不上溢的條件是，在第n幀(n為任意值)的編碼數(shù)據(jù)被移出緩沖區(qū)之前，進入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)總量不超過緩沖區(qū)的容量S。從第n幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)到移出緩沖區(qū)的時間是dn，在這段時間之內(nèi)，可能有若干幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)。然而，在編碼第n幀的時候，編碼器無法知道后續(xù)尚未編碼的幀的數(shù)據(jù)量。但是，編碼器知道后續(xù)各幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率都小于等于R。所以，編碼器只需保證以下條件即可

但是，如前所述，當?shù)趎－1幀編碼結(jié)束時，dn已經(jīng)確定了，假設(shè)編碼器在編碼第n－1幀時已經(jīng)保證了dn＜D，編碼第n幀需要做的，是保證dn+1＜D。

當dn和D比較接近時，式(8)的右邊是一個正值，這就要求傳送第n幀數(shù)據(jù)的時間不能太短。

在CBR時，編碼器必須保證第n幀的數(shù)據(jù)量

在VBR時，編碼器可以通過降低第n幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率來使式(8)成立，也可以像CBR時那樣通過控制fn來使式(8)成立。如圖2所示。其中rn表示第n幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率。

圖2 VBR時為防止緩沖區(qū)上溢所做的處理

需要注意的是，在CBR時，式(8)或(9)是緩沖區(qū)不上溢的充分必要條件，在VBR時，式(8)是充分但非必要條件。如果式(8)不成立，編碼器可以通過降低后續(xù)各幀編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的速率使緩沖區(qū)不上溢。但是，既然總數(shù)據(jù)量不大于S，編碼器總是可以將這些數(shù)據(jù)放在長度不超過D的時間區(qū)間上傳送(即強制第n幀數(shù)據(jù)延后至tn－D時再進入緩沖區(qū))，以保證式(8)成立。

2.2 bbv_delay=0xFFFF時的緩沖模型

當bbv_delay==0xFFFF時，AVS標準規(guī)定:如果BBV緩沖區(qū)沒有充滿，數(shù)據(jù)以速率R輸入緩沖區(qū);如果BBV緩沖區(qū)充滿，則數(shù)據(jù)不能進入該緩沖區(qū)直到緩沖區(qū)中的部分數(shù)據(jù)被移出。因此，當bbv_delay==0xFFFF時，緩沖區(qū)不存在上溢的問題。

當bbv_delay==0xFFFF時，視頻序列的第1幀圖像的起始碼前的所有數(shù)據(jù)和這個起始碼輸入BBV緩沖區(qū)后，數(shù)據(jù)繼續(xù)輸入BBV緩沖區(qū)直到緩沖區(qū)充滿，并在這個時間開始解碼處理。此時，第1幀的延遲可以看成是D=S/R，這是延遲的最大值，不妨把這種緩沖模型稱為“高延遲模型”。后續(xù)各幀的解碼時間依然按照式(1)來確定。

在高延遲模型中，只需保證緩沖區(qū)不發(fā)生下溢。緩沖區(qū)下溢是有可能發(fā)生的，比如某一幀的編碼數(shù)據(jù)量大于緩沖區(qū)的容量，當該幀的解碼時刻到來時，其數(shù)據(jù)不可能完全進入緩沖區(qū)，就會發(fā)生下溢。即使每一幀的編碼數(shù)據(jù)量都小于緩沖區(qū)的容量，也可能發(fā)生緩沖區(qū)下溢，比如出現(xiàn)連續(xù)兩幀的編碼數(shù)據(jù)量都很大(大到接近緩沖區(qū)的容量)的時候。當前一幀的數(shù)據(jù)被移出緩沖區(qū)時，后一幀的數(shù)據(jù)只有一小部分進入了緩沖區(qū)，其余部分在兩幀的解碼時間間隔內(nèi)無法全部進入緩沖區(qū)。

準確的說，保證第n幀編碼數(shù)據(jù)能夠及時全部進入緩沖區(qū)的充分必要條件是

2.3 low_delay==1時的緩沖模型

當low_delay=1時，是低延遲模式。此時每一幀的編碼數(shù)據(jù)頭部存在BbvCheckTimes，在從緩沖區(qū)移出該幀數(shù)據(jù)解碼之前，解碼器要檢查緩沖區(qū)BbvCheckTimes+1次。通常BbvCheckTimes=0，即解碼器只需檢查緩沖區(qū)1次，這和low_delay==0時是一樣的，如果所有幀都是只需檢查緩沖區(qū)1次，那整個碼流就和low_delay==0時是一樣的。這里所說的“檢查緩沖區(qū)”的意思是“嘗試解碼”，檢查緩沖區(qū)的時刻就是解碼時刻，檢查緩沖區(qū)的時間間隔就是解碼時間間隔。

緩沖區(qū)下溢通常是由于大圖像的編碼數(shù)據(jù)量太大造成的。然而，并非某一幀的編碼數(shù)據(jù)量大了就一定會發(fā)生下溢，根據(jù)fn＜R×dn，可知是否下溢和該幀的延遲有關(guān)。而延遲又是由該幀的解碼時刻和該幀數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻共同確定的，該幀編碼數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)的時刻無法提前，因為在保證緩沖區(qū)不上溢的前提下，已經(jīng)是盡量早的進入緩沖區(qū)了。所以，發(fā)生緩沖區(qū)下溢的原因是該幀的解碼時刻過早，而該幀的解碼時刻是按照tn+1=tn+in遞推出來的，各幀的顯示時間是確定的，最終決定該幀的解碼時刻的是第1幀的解碼時刻。

實際上，解碼的第一幀在碼流中是隨機的。在低延遲模式下，編碼器會將每一幀的延遲時間盡量設(shè)得短，以達到讓解碼器盡早解碼，降低延遲的目的。這正是低延遲模式的含義。

當按照通常的設(shè)置(BbvCheckTimes=0)緩沖區(qū)發(fā)生下溢時，編碼器通過將發(fā)生下溢的幀設(shè)置成大圖像，告知解碼器等待一段時間再解碼。但是，額外的等待時間不一定能夠保證不發(fā)生下溢，如果大圖像的數(shù)據(jù)量太大，超過緩沖區(qū)的容量，或者需等待的時間超過某種上限，則只能放棄大圖像。這時，編碼器設(shè)置的等待時間不足以讓大圖像的全部數(shù)據(jù)到達。解碼器在檢測緩沖區(qū)指定的次數(shù)之后強行移出大圖像。AVS標準沒有詳細規(guī)定在緩沖區(qū)發(fā)生下溢時的處理方法。編碼器可以將大圖像數(shù)據(jù)全部寫入碼流，也可以只寫入一部分。解碼器可以不解碼大圖像，也可以強行解碼并輸出不完整的解碼圖像。建議編碼器避免緩沖區(qū)發(fā)生下溢，以避免解碼器出現(xiàn)不可控的輸出。

這里有兩個問題需要解決:1)等待大圖像解碼的這段時間解碼器如何輸出?2)大圖像解碼后解碼器如何輸出?AVS標準并未明確回答這兩個問題。但是，有一點是肯定的，即解碼器必須按照指定的速率持續(xù)輸出解碼圖像。根據(jù)這個原則，等待大圖像解碼的時候解碼器應(yīng)當有輸出，大圖像解碼后，輸出的速率不能提高。為了保持同步，編碼器應(yīng)當丟棄若干幀，否則會造成不同步。

3 總結(jié)

3.1 典型應(yīng)用

上述3種緩沖模型對應(yīng)著不同的應(yīng)用。bbv_delay值不是0xFFFF且low_delay值不是1的模型是最常見的，主要應(yīng)用于數(shù)字電視廣播等。這種應(yīng)用的特點是各方面的要求比較均衡。需要注意的是，這種應(yīng)用可以用CBR編碼，也可以用VBR編碼。

bbv_delay==0xFFFF時是高延遲模型，主要應(yīng)用于存儲媒體。這種應(yīng)用的特點是對延遲不敏感，信道可靠性好，能提供的數(shù)據(jù)傳輸率很高，但是存儲容量有限，因此通常采用VBR編碼。

低延遲模式通常用于可視電話、視頻會議等對延遲要求很高的應(yīng)用。同時，信道能夠提供的數(shù)據(jù)傳輸率也是有限的。這就給碼率控制帶來了很大的難度，可能會出現(xiàn)某些幀數(shù)據(jù)量太大的情況。

3.2 基本概念

前文列舉的基本概念對理解碼流緩沖模型是非常重要的，特別是解碼時刻的確定方式。

另外，就是關(guān)于CBR和VBR。根據(jù)前文的敘述，可知CBR，VBR和bbv_delay，low_delay的值沒有必然的聯(lián)系。

3.3 編碼器和解碼器的不同

編碼器和解碼器使用同樣的碼流緩沖區(qū)模型，但是任務(wù)是不同的。解碼器是被動的，它首先要判斷自己是否有足夠的資源完成解碼，然后按照碼流中的設(shè)置實現(xiàn)對緩沖區(qū)的操作。解碼器還必須處理意外情況和標準中沒有明確規(guī)定的部分。

編碼器首先要把用戶的設(shè)置翻譯成合適的緩沖區(qū)參數(shù)，然后采取合適的方法控制編碼過程，使緩沖區(qū)不發(fā)生溢出。編碼器通過控制緩沖區(qū)來控制解碼器的行為。

3.4 具體實現(xiàn)

本文從編碼器的角度，針對3種不同的緩沖模式，給出了保證緩沖區(qū)不溢出的可操作的條件。其中，低延遲模式保證緩沖區(qū)不上溢的條件和常用的緩沖模式是一樣的。

［1］ ISO/EC 13818－2，Generic coding of moving pictures and associated audio:Video［S］.1996.

［2］GB/T 20090.2—2006，信息技術(shù) 先進音視頻編碼 第2部分:視頻［S］.2006.

［3］楊其彤，諸巍杰，張兆揚，等.基于運動復(fù)雜度的AVS幀級碼率控制算法［J］. 電視技術(shù)，2009，33(1):21－23.

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