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数字视频信号通过压缩技术，减少数据量，节约传输带宽和存储空间。近年来，视频编码技术在通信、广播电视等领域得到广泛的应用，并且促使了一系列视频编码标准的产生，如MPEG-1/2/4、H.261/H.263/H.264等。目前由ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG联合制定的HEVC视频编码标准，虽然其编码框架与以往标准的类似，但是由于其运用了大量新技术，编码性能比H.264提高了一倍左右，同时支持超高清视频及并行处理架构。HEVC已经得到研究者们的高度重视，即将引发多媒体产业中一场新的变革，因此对视频编码技术进行深入研究，根据其机理优化编码性能，具有十分重要的理论和现实意义。本文研究图像内容特性在视频编码中的应用，将图像内容与码率控制紧密联系，结合时间相关性和空间相关性，不仅实现了基于图像内容的比特分配，提高了视频压缩效率，而且在帧层对图像内容和缓冲区约束条件进行研究，结合初始量化参数自适应调整模型，提出了缓冲区约束条件下结合图像内容的码率控制算法，该算法在达到码率控制要求的同时也能取得较好的编码性能，并保证缓冲区在编解码过程中不发生溢出。本论文的创新点主要包括: 1.结合时间、空间相关性的图像复杂度预测模型 图像内容的复杂程度决定了编码比特数的多少，准确估计图像复杂度是优化比特分配的前提，其中MAD和SATD是目前解决该问题的主流方法。在对它们优缺点综合分析的基础上，提出了一种基于时间、空间相关性的复杂度预测模型。保证满足实时性是复杂度预测的重要环节之一，即应能保证当时间相关性强于空间相关性时复杂度预测依赖于时间相关性，而当空间相关性强于时间相关性时其依赖于空间相关性，这就需要复杂度预测过程中能结合时间、空间相关性，以产生适应视频信号时变特性的复杂度预测模型。对此本文分别从时间、空间相关性角度分析视频信号，即帧内和帧间编码模式，并且根据相关性强弱选择编码模式，从而保证复杂度预测模型能准确反映视频信号变化情况。 2.缓冲区约束条件下的量化参数调整技术 通过对HEVC编码器缓冲区模型的分析，提出了缓冲区约束条件下的量化参数调整技术。保证满足缓冲区约束条件是码率控制的重要环节之一，即码率控制应能够保证编码过程中缓冲区不会发生溢出，同时要求解码产生的码流在解码过程中也能保证解码缓冲区不溢出，这需要码率控制在编码过程中能够根据缓冲区状态的反馈及时调整量化区间，以产生能满足要求的码流。对此本文根据缓冲区操作模型，从缓冲区饱和度的角度剖析缓冲区对量化参数的约束条件，并根据这一约束条件调控量化区间，从而保证缓冲区既不上溢又不下溢。 3.结合图像内容的初始量化参数模型 本文通过对现有初始量化参数模型的研究，提出了结合图像内容的初始量化参数自适应调整模型。根据目标比特数不变时图像内容越丰富所需初始量化参数值越大的原则，将目标比特数和图像内容紧密结合，实现了初始量化参数的自适应调整技术，该技术不仅能够提高码率控制性能、改善视频编码质量，而且能够保持图像间编码质量的平滑性，提高用户视觉体验。 4.一种自适应比特分配的码率控制算法 本文提出了一种基于自适应比特分配的码率控制算法，通过利用图像复杂度与编码比特数间的关系模型，进行LCU层及帧层的自适应比特分配，并根据缓冲区饱和度对编码比特数进行调整，使用缓冲区约束条件下选择的量化区间进行量化参数调节，从而实现满足缓冲区不发生溢出要求的编码，解决了码率控制一般比较难以实现缓冲区不溢出的问题，能够满足一些要求缓冲区空间及传输延时尽可能小的实际视频应用，如视频会议、视频通话等。 本文将图像内容与码率控制有机的结合起来，实现了自适应的比特分配、初始量化参数及量化参数上下边界的确定，是对视频编码性能优化的有益探索。