码率控制的理论知识:

码率控制的目的和意义:
图像通信中码率控制的目的:通过调节编码参数,控制单位时间内的编码视频流的数据量,以使产生的比特流符合各种应用的需求。视频压缩的效率和视频内容有很 大的关系,对于变化多样的画面,视频编码的输出的码流变化较大,在信道环境不好的时候就容易导致解码端显示的质量的不稳定。

率失真理论:
由于传输带宽和存储空间的限制,视频应用对压缩比有较高的要求。而无损编码较低的压缩比无法满足视频在实际应用中的需求。但如果给视频引入一定程度的失真,通常可以获得较高的压缩比。
率失真理论对有损压缩编码下的失真和编码性能之间的关系的描述,为码率控制的研究提供了坚实的理论依据。率失真理论主旨是描述编码失真度和编码数据速率的 关系。该理论建立在图像是连续的基础上的,在有限数据速率下,由于存在量化误差,必然存在失真。当使用有损编码方法时,重建图像g(x,y)和原始图像 f(x,y)之间存在差异,失真度D的函数形式在理论上是可以根据需要自由选取的,在图像编码中,D常用均方差形式表示的,典型的率失真曲线。R(D)为 D的凸减函数。
对于怎么选择哪个函数的率失真效果更好,则是比较哪个函数的率失真函数更为接近典型的率失真函数的曲线。

x264码率控制方法:采用的码率控制算法并没有采用拉格朗日代价函数来控制编码,而是使用一种更简单的方法,即利用半精度帧的SATD(sum of absolute transformed difference)作为模式选择的依据。SATD即将残差经哈德曼变换的4×4块的预测残差绝对值总和,可以将其看作简单的时频变换,其值在一定程度 上可以反映生成码流的大小。SATD是将残差经哈达曼变换4*4块的预测残差绝对值总和。自适应宏块层码率控制策略:X264的宏块没有任何码率控制的机 制,其在帧层得到一个QP后,属于该帧的所有宏块都用着统一的QP进行量化。

码率控制性能测度:
1、比特率误差|ABR-TBR|/TBR ,越小越好。
2、编码器性能。
3、缓冲区满度与TBL的匹配程度。
4、跳帧数。
5、PSNR波动越小越好。


x264中码率控制的流程(对于重点函数在下面有注释):

1.在进行编码时,Encode--->x264_encoder_open(主要是进行参数的修订设置,进行初始化)---->x264_ratecontrol_new
2.encode--->Encode_frame--->x264_encoder_encode--->x264_ratecontrol_slice_type
3.encode--->Encode_frame--->x264_encoder_encode--->x264_ratecontrol_start**************
4.encode--->Encode_frame--->x264_encoder_encode--->x264_ratecontrol_qp
5.encode--->Encode_frame--->x264_encoder_encode--->x264_slices_write--->x264_slice_write
--->x264_ratecontrol_mb********************
6.encode--->Encode_frame--->x264_encoder_encode--->x264_ratecontrol_end(在编完一帧过后)
7.在编完过后,encode--->x264_encoder_close---->ratecontrol summary/x264_ratecontrol_delete


函数注释:

在编码中所用的编码方式:
#define X264_RC_CQP                  0
#define X264_RC_CRF                  1
#define X264_RC_ABR                  2

1.
x264_ratecontrol_new( x264_t *h )
{   // 获取RC方式,FPS,bitrate,rc->buffer_rate,rc->buffer_size
// 在码率控制的时候会出现2pass,参数的初始化
rc = h->rc;
rc->b_abr = h->param.rc.i_rc_method != X264_RC_CQP && !h->param.rc.b_stat_read;
rc->b_2pass = h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && h->param.rc.b_stat_read;
..........
if( h->param.rc.b_mb_tree )//这里设置mb_tree
{
h->param.rc.f_pb_factor = 1;
rc->qcompress = 1;
}
else
rc->qcompress = h->param.rc.f_qcompress;

..............
rc->ip_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_ip_factor) / log(2.0);
rc->pb_offset = 6.0 * log(h->param.rc.f_pb_factor) / log(2.0);
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = h->param.rc.i_qp_constant;
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant - rc->ip_offset + 0.5, 0, 51 );
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, 51 );

}

2.
int x264_ratecontrol_slice_type( x264_t *h, int frame_num )
{
//根据不同类型来获取不同的qp_constant
h->param.rc.i_qp_constant = (h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P] == 0) ? 24
: 1 + h->stat.f_frame_qp[SLICE_TYPE_P] / h->stat.i_frame_count[SLICE_TYPE_P];
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant, 0, 51 );
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_I] = x264_clip3( (int)( qscale2qp( qp2qscale( h->param.rc.i_qp_constant ) / fabs( h->param.rc.f_ip_factor )) + 0.5 ), 0, 51 );
rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( (int)( qscale2qp( qp2qscale( h->param.rc.i_qp_constant ) * fabs( h->param.rc.f_pb_factor )) + 0.5 ), 0, 51 );
}

3.
x264_ratecontrol_start( h, h->fenc->i_qpplus1, overhead*8 );
这个函数的目的就是在一帧的编码前就选择QP
/* Init the rate control */
/* FIXME: Include slice header bit cost. */
x264_ratecontrol_start( h, h->fenc->i_qpplus1, overhead*8 );


对x264_ratecontrol_start函数的解析如下:


x264_zone_t *zone = get_zone( h, h->fenc->i_frame );//找到h->fenc->i_frame所在的zone
....................
//由各种不同的slice类型,vbv等等参数获取的q值
if( i_force_qp )
{
q = i_force_qp - 1;//
}
else if( rc->b_abr )
{
q = qscale2qp( rate_estimate_qscale( h ) );//下面有注解
}
else if( rc->b_2pass )
{
rce->new_qscale = rate_estimate_qscale( h );
q = qscale2qp( rce->new_qscale );
}
else /* CQP */
{
if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B && h->fdec->b_kept_as_ref )
q = ( rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_B ] + rc->qp_constant[ SLICE_TYPE_P ] ) / 2;
else
q = rc->qp_constant[ h->sh.i_type ];

if( zone )
{
if( zone->b_force_qp )
q += zone->i_qp - rc->qp_constant[SLICE_TYPE_P];
else
q -= 6*log(zone->f_bitrate_factor)/log(2);
}

//////////////////////////////////////////////////////////////////
/* Terminology:
* qp = h.264's quantizer
* qscale = linearized quantizer = Lagrange multiplier
*/
static inline double qp2qscale(double qp)
{
return 0.85 * pow(2.0, ( qp - 12.0 ) / 6.0);
}
static inline double qscale2qp(double qscale)
{
return 12.0 + 6.0 * log(qscale/0.85) / log(2.0);
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////////
rate_estimate_qscale( h )
// update qscale for 1 frame based on actual bits used so far(即根据所需BIT来计算qscale)
static float rate_estimate_qscale( x264_t *h )
{
//这里是分别针对B,P帧分别进行,因为I帧是已经设定
if( pict_type == SLICE_TYPE_B )
{
//这里B帧的q的大小是由参考帧求的
.....................
.....................
// 由predict_size获得帧的size
rcc->frame_size_planned = predict_size( rcc->pred_b_from_p, q, h->fref1[h->i_ref1-1]->i_satd );
x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, rcc->frame_size_planned);
//////////////////////////
void x264_ratecontrol_set_estimated_size( x264_t *h, int bits )
{
x264_pthread_mutex_lock( &h->fenc->mutex );
h->rc->frame_size_estimated = bits;///***********
x264_pthread_mutex_unlock( &h->fenc->mutex );
}
////////////////////////////

}
////P帧的q值获取
else
{
//这里的分有1pass和2pass的选择
...................
选择predicted_bits,求出diff
diff = predicted_bits - (int64_t)rce.expected_bits;
q /= x264_clip3f((double)(abr_buffer - diff) / abr_buffer, .5, 2);

}
}

4.
int x264_ratecontrol_qp( x264_t *h )
{
return h->rc->qpm;
}


5.
void x264_ratecontrol_mb( x264_t *h, int bits )
{
//这个函数主要是针对一行的bits
if( h->sh.i_type == SLICE_TYPE_B )
{
//由参考的图像求对应的行的qp,有已编码的bits获得此行的bits和qp
int avg_qp = X264_MIN(h->fref0[0]->i_row_qp[y+1], h->fref1[0]->i_row_qp[y+1])
+ rc->pb_offset * ((h->fenc->i_type == X264_TYPE_BREF) ? 0.5 : 1);
rc->qpm = X264_MIN(X264_MAX( rc->qp, avg_qp), 51);   //avg_qp could go higher than 51 due to pb_offset
i_estimated = row_bits_so_far(h, y);              //FIXME: compute full estimated size
if (i_estimated > h->rc->frame_size_planned)
x264_ratecontrol_set_estimated_size(h, i_estimated);
}

//I, p,这里还要参考缓冲区的状态
else
{
//对I,P帧在考虑VBV的情况下求的bits和qp
}
}

6.
/* After encoding one frame, save stats and update ratecontrol state */
int x264_ratecontrol_end( x264_t *h, int bits )
{
///统计ipb类型的Mb的个数,并计算平均QP
h->fdec->f_qp_avg_rc = rc->qpa_rc /= h->mb.i_mb_count;
h->fdec->f_qp_avg_aq = rc->qpa_aq /= h->mb.i_mb_count;
}


7.
void x264_ratecontrol_summary( x264_t *h )
{
x264_ratecontrol_t *rc = h->rc;
//ABR
if( rc->b_abr && h->param.rc.i_rc_method == X264_RC_ABR && rc->cbr_decay > .9999 )
{
double base_cplx = h->mb.i_mb_count * (h->param.i_bframe ? 120 : 80);
double mbtree_offset = h->param.rc.b_mb_tree ? (1.0-h->param.rc.f_qcompress)*13.5 : 0;
x264_log( h, X264_LOG_INFO, "final ratefactor: %.2f\n",
qscale2qp( pow( base_cplx, 1 - rc->qcompress )
* rc->cplxr_sum / rc->wanted_bits_window ) - mbtree_offset );
}
}

/////////////////////////////
void x264_ratecontrol_delete( x264_t *h )///////释放RC开辟的空间

通过以上的流程总结x264码率控制的过程基本是有以下三步:
1.对码率控制的相关变量进行初始化,如,I,P,B的初始QP值,RC的方式,VBV的初始状态等等;
2.获取编码帧的复杂度,x264用SATD表示,对于采用的不同参数的码率控制的方式,由前面已编码的Bits,复杂度,目标比特的设置等一些条件来获取编码当前帧的qp值。
3.在编码过程中,由获得qp值得到预测的bits;


实验部分:
1.简单参数设置:
参数设置:
--frames 10 --qp 26 -o test.264 F:\.......\akiyo_qcif.yuv 176x144
其他的参数采用默认设置(在默认设置时采用的码率控制模型是X264_RC_CQP),所得的实验结果:
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile High, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:23.00  size:  4189
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:26.00  size:    62
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:28.00  size:    38
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
x264 [info]: mb I  I16..4:  3.0% 41.4% 55.6%
x264 [info]: mb P  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  P16..4:  3.0%  1.3%  1.7%  0.0%  0
.0%    skip:93.9%
x264 [info]: mb B  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  B16..8:  4.4%  0.2%  0.3%  direct:
0.7%  skip:94.4%  L0:56.0% L1:40.5% BI: 3.4%
x264 [info]: 8x8 transform intra:41.4% inter:25.9%
x264 [info]: coded y,uvDC,uvAC intra: 83.6% 81.8% 68.7% inter: 1.1% 0.1% 0.0%
x264 [info]: i16 v,h,dc,p: 100%  0%  0%  0%
x264 [info]: i8 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 25% 30% 15%  4%  4%  4%  7%  5%  6%
x264 [info]: i4 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 35% 18%  8%  5%  5% 10%  5%  8%  6%
x264 [info]: ref P L0: 88.9%  0.0% 11.1%
x264 [info]: kb/s:92.08

encoded 10 frames, 24.33 fps, 92.08 kb/s

2.改变码率控制的模型:
--frames 10 --qp 26 --crf 2 -o test.264 F:\......\akiyo_qcif.yuv 176x144
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile High, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:10.00  size: 10246
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:11.48  size:   847
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:12.10  size:   172
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
x264 [info]: mb I  I16..4:  1.0% 44.4% 54.5%
x264 [info]: mb P  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  P16..4: 30.0%  3.0%  4.7%  0.0%  0
.0%    skip:62.3%
x264 [info]: mb B  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  B16..8:  6.9%  1.0%  1.2%  direct:
4.0%  skip:86.9%  L0:34.7% L1:55.6% BI: 9.7%
x264 [info]: 8x8 transform intra:44.4% inter:34.8%
x264 [info]: coded y,uvDC,uvAC intra: 100.0% 99.0% 94.9% inter: 11.6% 7.6% 4.9%
x264 [info]: i16 v,h,dc,p: 100%  0%  0%  0%
x264 [info]: i8 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 30% 33% 16%  3%  2%  3%  4%  4%  5%
x264 [info]: i4 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 28% 12% 11%  5%  7% 11%  6% 12%  8%
x264 [info]: ref P L0: 95.8%  1.6%  2.7%
x264 [info]: ref B L0: 96.3%  3.7%
x264 [info]: kb/s:276.36

encoded 10 frames, 14.27 fps, 276.36 kb/s

针对1,2两个实验,所采用的RC模型不一样,1:X264_RC_CQP,2:X264_RC_CRF,其他参数的设置一样,从IPB的平均QP,编码Bits可以看出和对于实际的应用来说,CRF的效果不如CQP。

3.
--frames 10 --qp 26 --pass 1 -o test.264 F:\.....\bin\akiyo_qcif.yuv 176x144
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile Main, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:23.00  size:  4068
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:26.00  size:    59
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:28.00  size:    31
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
x264 [info]: mb I  I16..4: 15.2%  0.0% 84.8%
x264 [info]: mb P  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  P16..4:  7.1%  0.0%  0.0%  0.0%  0
.0%    skip:92.9%
x264 [info]: mb B  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  B16..8:  1.2%  0.0%  0.0%  direct:
1.5%  skip:97.3%  L0:100.0% L1: 0.0% BI: 0.0%
x264 [info]: coded y,uvDC,uvAC intra: 87.4% 77.8% 68.7% inter: 1.1% 0.1% 0.0%
x264 [info]: i16 v,h,dc,p: 47% 20% 27%  7%
x264 [info]: i4 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 29% 27% 10%  5%  4%  8%  5%  6%  5%
x264 [info]: kb/s:88.58
encoded 10 frames, 52.63 fps, 88.58 kb/s


4.
--frames 10 --qp 26 --pass 2 -o test.264 F:\.....\bin\akiyo_qcif.yuv 176x144
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile High, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:23.00  size:  4189
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:26.00  size:    62
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:28.00  size:    38
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
x264 [info]: mb I  I16..4:  3.0% 41.4% 55.6%
x264 [info]: mb P  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  P16..4:  3.0%  1.3%  1.7%  0.0%  0
.0%    skip:93.9%
x264 [info]: mb B  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  B16..8:  4.4%  0.2%  0.3%  direct:
0.7%  skip:94.4%  L0:56.0% L1:40.5% BI: 3.4%
x264 [info]: 8x8 transform intra:41.4% inter:25.9%
x264 [info]: coded y,uvDC,uvAC intra: 83.6% 81.8% 68.7% inter: 1.1% 0.1% 0.0%
x264 [info]: i16 v,h,dc,p: 100%  0%  0%  0%
x264 [info]: i8 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 25% 30% 15%  4%  4%  4%  7%  5%  6%
x264 [info]: i4 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 35% 18%  8%  5%  5% 10%  5%  8%  6%
x264 [info]: ref P L0: 88.9%  0.0% 11.1%
x264 [info]: kb/s:92.08

encoded 10 frames, 27.70 fps, 92.08 kb/s

5.
--frames 10 --qp 26 --pass 3 -o test.264 F:\.....\bin\akiyo_qcif.yuv 176x144
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile High, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:23.00  size:  4189
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:26.00  size:    62
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:28.00  size:    38
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
x264 [info]: mb I  I16..4:  3.0% 41.4% 55.6%
x264 [info]: mb P  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  P16..4:  3.0%  1.3%  1.7%  0.0%  0
.0%    skip:93.9%
x264 [info]: mb B  I16..4:  0.0%  0.0%  0.0%  B16..8:  4.4%  0.2%  0.3%  direct:
0.7%  skip:94.4%  L0:56.0% L1:40.5% BI: 3.4%
x264 [info]: 8x8 transform intra:41.4% inter:25.9%
x264 [info]: coded y,uvDC,uvAC intra: 83.6% 81.8% 68.7% inter: 1.1% 0.1% 0.0%
x264 [info]: i16 v,h,dc,p: 100%  0%  0%  0%
x264 [info]: i8 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 25% 30% 15%  4%  4%  4%  7%  5%  6%
x264 [info]: i4 v,h,dc,ddl,ddr,vr,hd,vl,hu: 35% 18%  8%  5%  5% 10%  5%  8%  6%
x264 [info]: ref P L0: 88.9%  0.0% 11.1%
x264 [info]: kb/s:92.08

encoded 10 frames, 25.64 fps, 92.08 kb/s

对于3,4,5是关于Pass的实验比较:
多次压缩码率控制
1
:第一次压缩,创建统计文件
2
:按建立的统计文件压缩并输出,不覆盖统计文件,
3
:按建立的统计文件压缩,优化统计文件
在想得到建好的效果的时候采用pass 2就可以了。

6.
--frames 10 --qp 26 --bitrate 64 -o test.264 F:\.....\bin\akiyo_qcif.yuv 176x144
x264 [info]: 176x144 @ 25.00 fps
x264 [info]: using cpu capabilities: MMX2 SSE2 Cache64 Slow_mod4_stack
x264 [info]: profile High, level 1.1
x264 [info]: frame I:1     Avg QP:38.31  size:  1461
x264 [info]: frame P:3     Avg QP:42.00  size:    18
x264 [info]: frame B:6     Avg QP:45.00  size:    14
x264 [info]: consecutive B-frames: 11.1%  0.0%  0.0% 88.9%
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6,7是针对不同的编码帧数来进行比较的,在编码帧数越多,带宽利用的效果就越好。
6,7是在设置了目标码率64kp/s时,采用的是ABR的RC模型,在设置了目标码率能够根据目标码率的大小改变QP大小,能够控制码率。