移动终端反馈信息优化 - 3G无线视频监控系统设计

　　H.264标准中，码率控制根据式（1）计算第i个z帧组的第j帧配比特数：

　　其中：u（ni,j）表示编码第i组第j帧时信道可获带宽；Fr表示预定帧率；Tbl（ni,j）表示第i个帧组编码第j帧时目标缓冲区的使用量；Bc（ni,j）表示编码完第j-1帧时缓冲区的占用量。

　　式（1）强调通用性而没有对无线环境以及嵌入式设备进行相关处理。本文结合无线网络误码率高以及移动终端处理能力弱的特点对标准中算法进行了优化。首先移动终端统计误码率和丢包率，分别记为Ei,j和Li,j,并设定一个值Mi,j表示移动终端反馈的其缓冲使用度。移动终端定时把几项数据反馈给网络代理模块，网络代理根据移动终端的反馈信息重新对网络带宽可用度进行评估并对原算法公式进行调整，计算式为：

　　其中：BWij表示根据移动终端反馈信息获取的当前带宽可用度；γi,j表示移动终端承载能力因子；β1、β2、β3和β4为加权系数。在帧组层码率控制计算第j帧分配的码字时把原算法的式（1）调整为式（4）。

　　3.2　跳帧

　　为了避免溢出，当缓存区内比特数超过缓存区空间的85%时，跳过当前帧而不对其进行编码，直到其低于临界值后再进行编码。在H.264码率控制算法的第二步中，根据目标缓存使用量、帧率、可用带宽和实际缓存占用度以及当前编码图像的复杂度，可以由下式计算得到第i个帧组第j帧的目标比特数，计算式如下：

　　其中：。f（ni,j）表示考虑剩余比特数和图像复杂度后应该增加的比特数；γ为一常数，一般取值0.5,当没有B帧的情况下取值0.25;.f（ni,j）与式（1）的意义相同。本文利用该公式结果进行码率控制的同时，优化跳帧策略，即当预测的码率加上当前缓冲区使用量大于预定阈值Kmax（目前定位为95%）时，可进行主动丢帧处理，即如果不是i帧，就将其丢掉，不作编码处理。

　　计算如下：

　　当收到移动终端的反馈值M大于85%时，同样采取跳帧策略，避免造成移动终端缓冲区不够的丢帧现象发生，因为丢帧丢的如果是i帧，会影响后续视频帧的重建。该策略可以通过跳过一些复杂度较低、对于整个序列而言并不重要的图像来为后面复杂度较高、不能丢失的图像留出缓存区空间。

　　4 测试结果

　　针对本文的无线视频系统和优化算法，主要测试系统总体性能和码率控制优化的效果，码率控制的结果主要以传输比特数和PSNR值来衡量。在接收端程序中加入了iBufSizeTotal变量，用来统计发送的数据大小的总和；在拍摄端加入了编码启动时间iTimeStart和编码结束时间iTimeEnd,并加入了变量iFrameCount来统计共编码了多少帧。针对计算码率控制的效果，计算码率控制算法优化前和优化后平均每秒的输出比特数（码率），计算式如下：

　　针对编码优化的效果计算出编码器优化前后编码的平均每秒编码帧数（帧率），计算式如下所示：

　　在进行系统的测试时，将拍摄节点放置在以下四种背景环境中：

　　a）纹理简单，运动缓慢；

　　b）纹理比较丰富，运动平缓；

　　c）纹理丰富，运动中等；

　　d）纹理复杂，运动剧烈。拍摄的摄像头采样模式均设为YUV的4∶2∶0格式。表1显示了编码器优化前后的四种背景下每秒帧率的情况。

　　对于码率控制优化算法实验的结果通过表格的形式给出。

　　表2给出了标准中原码率控制算法和本文提出的算法对于六种标准序列在不同目标码率和帧率下的实际编码码率和平均重建图像的峰值信噪比PSNR值的测试结果；表3给出了原标准算法和本文算法对应的比特率偏移与平均PSNR值差值比较。

　　从表3中可以看出，本文提出的算法可以更为合理地控制码率，六个序列中四个的峰值信噪比原算法有一定提高，表明本文提出的图像复杂度因子是合理有效的。

　　为了进一步对比改进算法的效果，本文将视频序列每帧的PSNR值通过坐标图的形式给出，图中横坐标为帧的编号，纵坐标为对应的PSNR值。本文中给出了具有mobile（码率限制较高比特128kbps）的视频序列PSNR图，如图4所示，即限定码率分别为32kbps、64kbps和128kbps的典型视频。从图4中可以看出，改进算法的PSNR值波动相对较小，从而在视觉上不会感觉到明显的图像质量变化，这就保证了图像质量的平稳过渡，具有较高的主观视觉质量。

　　5 结语

　　本文设计并实现了基于3G和H.264威廉希尔官方网站 的无线实时监控系统，并结合无线传输以及智能手机处理能力弱的特点，对H.264标准中码率控制策略进行了优化。