視頻編碼速率控制

1. 速率控制： 通過選擇一系列編碼參數(shù)，使得視頻編碼后的比特率滿足所有需要的速率限制，并且使得編碼失真盡量小。
2. 速率控制屬于率失真優(yōu)化的范疇，速率控制算法的重點是確定與速率相關(guān)的量化參數(shù)（Quantization Parameter，QP）。
3. 速率控制的主要工作是建立編碼速率與量化參數(shù)的關(guān)系模型，根據(jù)目標(biāo)碼率確定視頻編碼參數(shù)中的量化參數(shù)。
4. 實際的編碼速率控制方案通常會被分解成兩個步驟：
   ○ 考慮視頻在空域、時域的相關(guān)性，根據(jù)總得目標(biāo)比特數(shù)確定每個編碼單元的最優(yōu)目標(biāo)比特數(shù)，這被稱為比特分配；
   ○ 依據(jù)編碼速率有量化參數(shù)的關(guān)系模型，為每個編碼單元根據(jù)其目標(biāo)比特數(shù)獨立確定其量化參數(shù)；
5. 由于編碼單元的編碼速率主要與量化參數(shù)相關(guān)，其他編碼參數(shù)的影響較小，因此編碼速率與量化參數(shù)有著較為確定的關(guān)系，可以基于這一關(guān)系直接根據(jù)編碼單元的目標(biāo)比特數(shù)確定其量化參數(shù)。
6. 當(dāng)量化參數(shù)一定時，視頻序列空、時域復(fù)雜度越高，產(chǎn)生的編碼比特數(shù)也越高。
   

緩沖機制

1. 視頻的編碼速率與編碼參數(shù)、編碼結(jié)構(gòu)、視頻內(nèi)容等諸多因素密切相關(guān)，速率控制算法通常無法保證實際編碼速率與目標(biāo)速率完全一致；

2. 為了減小實際編碼速率與目標(biāo)速率的差別，通常會在編碼器和創(chuàng)術(shù)信道間建立一個數(shù)據(jù)緩存區(qū)，稱“緩沖（buffer）機制”，用于平滑編碼速率與信道速率之間的差別。
   

3. 緩沖機制可以使編碼速率更好地匹配信道速率，但它的存在不但會消耗一定的存儲空間，而且會引入延遲；所以緩沖區(qū)的大小一般由允許最大時延及運營成本決定。

4. 為了設(shè)計含有緩沖區(qū)的速率控制算法，通常將緩沖區(qū)的動態(tài)變化過程用流體流量模型來表示。

5. 為了有效發(fā)揮緩沖區(qū)的作用，需要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量維持在一定的水平，以應(yīng)對信道速率的變化以及編碼速率與目標(biāo)速率的匹配誤差；

6. 使用緩沖區(qū)的視頻編碼速率控制的基本思想：如果實際編碼速率比可用的信道帶寬高，則多余的比特會在緩沖區(qū)中積累；當(dāng)緩沖區(qū)中的比特數(shù)累積到一定的高度時，速率控制算法會采用一定措施適量減小實際編碼速率，以降低緩沖區(qū)的充盈度；反之，當(dāng)緩沖區(qū)充盈度低于一定程度時，速率控制算法會適量增加實際編碼速率，使得緩沖區(qū)充盈度回升至一定水平。
   

速率控制技術(shù)

1. 首先為編碼單元進(jìn)行目標(biāo)比特分配，即根據(jù)視頻內(nèi)容、緩沖區(qū)狀態(tài)和信道帶寬為編碼單元分配恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)比特數(shù)；進(jìn)而為編碼單元獨立確定量化參數(shù)實現(xiàn)分配的目標(biāo)比特，其關(guān)鍵是確定量化參數(shù)，因此這個緩解稱為量化參數(shù)確定。
   

2. 目標(biāo)比特分配
   ■ 一個視頻序列擁有大量的編碼單元，直接對編碼單元進(jìn)行目標(biāo)比特分配過于復(fù)雜，通常采用分級的方式來簡化目標(biāo)比特分配問題，依次可以是 GOP 級、圖像級、宏塊級；
   ■ 實際編碼單元的失真并不是加性的，視頻序列的質(zhì)量并不是所有圖像質(zhì)量的求和或求平均，圖像的質(zhì)量也不是所有宏塊質(zhì)量的求和或求平均，視頻時空域質(zhì)量的一致性已經(jīng)成為了衡量速率控制算法性能的一個重要方面。

3. 量化參數(shù)確定
   ■ 關(guān)鍵是建立速率-量化參數(shù) （R-QP） 模型。

h265 速率控制

1. 以往標(biāo)準(zhǔn)所推薦的速率控制算法不能直接用于 h265中，主要因為：時域預(yù)測技術(shù)使幀間的率失真性能關(guān)系復(fù)雜；新的幀內(nèi)預(yù)測及運動信息的空間預(yù)測使得 CTU 間也有具有復(fù)雜的率失真性能依賴關(guān)系；新的 CABAC 技術(shù)更好的利用了變換系數(shù)間的相關(guān)性，使得 R-Q 關(guān)系更加復(fù)雜。
2. h265 仍然采用傳統(tǒng)的兩步驟方式：目標(biāo)比特分配和量化參數(shù)確定；
   ○ 目標(biāo)比特分配的核心在于，考慮視頻幀率失真間的相互依賴關(guān)系實現(xiàn)圖像級的目標(biāo)比特分配，考慮視頻內(nèi)容的 CTU 級的目標(biāo)比特分配；
   ○ 量化參數(shù)的核心在于，根據(jù)視頻內(nèi)容建立編碼比特數(shù)與量化參數(shù)的關(guān)系模型；

JCTVC-K0103速率控制算法

1. JCTVC-K0103 是 h265 測試模型 HM10.0 的速率控制算法，該速率控制算法的主要分兩個步驟：根據(jù)目標(biāo)碼率為不同編碼單元分配目標(biāo)比特數(shù)；根據(jù) R 和拉格朗日因子，拉格朗日因子與 QP 的關(guān)系模型確定不同編碼單元的量化參數(shù)。
   ○ 目標(biāo)比特分配： GOP 級目標(biāo)比特分配、圖像級目標(biāo)比特分配、CTU 級目標(biāo)比特分配
   ○ 量化參數(shù)確定： 雙曲函數(shù)能夠很好地反映 h265 視頻碼率和失真之間的關(guān)系；
   

2. 量化參數(shù) QP 與 拉格朗日因子之間的關(guān)系：
   

3. 量化參數(shù)確定后，即可對當(dāng)前圖像進(jìn)行編碼，該圖像編碼完成后可得實際編碼比特數(shù) bpp^，利用 bpp^可更新參數(shù)埃爾法和百塔，以便候選圖像速率控制時使用。
   

4. CTU 級量化參數(shù)的確定方法和圖像級類似，首先根據(jù)目標(biāo)比特數(shù)與拉格朗日因子的 關(guān)系得到拉格朗日因子，第 m 個 CTU 的拉格朗日因子為：
   

5. 需要注意的是，相鄰兩個 CTU 的 QP 差異不得大于 1，當(dāng)前 CTU 與其所屬圖像的 QP 差異不得大于 2。

參考

1. 新一代高效視頻編碼H.265HEVC原理、標(biāo)準(zhǔn)與實現(xiàn) [萬帥，楊付正 編著] 2014年版。