x264码率控制方法介绍

转自：http://www.bubuko.com/infodetail-471698.html

1.  X264显式支持的一趟码率控制方法有：ABR, CQP, CRF. 缺省方法是CRF。这三种方式的优先级是ABR > CQP > CRF.
    if ( bitrate )                rc_method = ABR;
    else if ( qp || qp_constant ) rc_method = CQP;
    else                          rc_method = CRF;     
    bitrate和QP都没有缺省值，一旦设置他们就表示要按照相应的码率控制方法进行编码，CRF有缺省值23，没有任何关于编码控制的设置时就按照CRF缺省值23来编码。
    
    一般的使用建议：
    CQP – not recommended anymore unless you know you want it 
    CRF – good for one pass when the priority is quality and file size/bit rate is not really a concern 
    1 pass ABR – good for streaming purposes or targeting a bit rate when two-pass is unfeasible
    2 pass VBR – good for targeting a bit rate when you have the time to spend on two passes (though the first pass can be quite fast) and are writing to a file

2. CQP，恒定QP. 无缺省值
    最简单的码率控制方式，每帧图像都按照一个特定的QP来编码，每帧编码后的数据量有多大是未知的。
    参数qp_constant设置的是P帧的QP。I,B帧的QP根据f_ip_factor， f_pb_factor，计算得到。
    rc->ip_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_ip_factor );
    rc->pb_offset = 6.0 * log2f( h->param.rc.f_pb_factor );
    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, QP_MAX );
    rc->qp_constant[SLICE_TYPE_B] = x264_clip3( h->param.rc.i_qp_constant + rc->pb_offset + 0.5, 0, QP_MAX );
    连续多个B帧时，QP会渐增。
        
    x264 YUV420格式 8比特采样的QP范围是[0, 51]。QP值越小，编码视觉质量越好。QP=0为无失真编码。
    在研究编码算法的时候，一般会选用CQP方法，设定QP为24，28，32，36，40等（一般选4个QP值），编码得到RD曲线，然后比较算法优劣。 
    相同视觉质量时，CQP编码输出的文件会比CRF模式更大。一般而言CRF都能代替CQP方法，不过CQP因为完全不需要预测所以它会运行得更快一些。 
    帧的重要级别为：IDR帧 > I帧 > P帧 > 做参考的B帧 > 不做参考的B帧。QP可以依次增大。  
 
    qpmin，默认值: 0。定义X264可以使用的最小量化值。量化值越小，输出视频质量就越好。
           当QP小于某一个值后，编码输出的宏块质量与原始块极为相近，这时没必要继续降低QP。
           如果开启了自适应量化器（默认开启），不建议提高qpmin的值，因为这会降低平滑背景区域的视觉质量。
    qpmax，默认值: 51。定义X264可以使用的最大量化值。默认值51是H.264规格中可供使用的最大量化值。
           如果想要控制X264输出的最低品质，可以将此值设置的小一些。
           QPmin和QPmax在CRF，ABR方法下是有效的，过低的设置QPmax，可能造成ABR码率控制失败。不建议调整这个参数。
    qpstep，默认值: 4。设置两帧间量化值的最大变化幅度。 
    帧间QP变化，帧内宏块QP不变，输出码率未知，各帧输出视觉质量有变化（高QP低码率的情况下会更明显）。

3. CRF，恒定Rate Factor （码率系数）缺省值23
    CQP是把某个量化值作为目标，bitrate是把某个输出文件大小作为目标，而CRF则是把某个输出“视觉质量”作为目标。
    CRF可以提供跟QP一样的视觉质量，但是文件更小，CRF是通过降低那些“less important”帧的质量来达到此目的的。
    “less important”的意思是那些过于耗费码率又难以用肉眼察觉的帧，比如复杂或者高速运行的场景。省下来的码率会分配给其它更有效的帧。
    在X264编码器内部CRF和bitrate采用了相同的调整策略，只是它不遵循一个特定的输出码率。
    它也是通过改变不同重要级别帧（I,P,B类型），以及帧内不同宏块类型（高速运动，复杂纹理，平坦区域）的QP值，以此来调整输出视觉质量。
    和QP的范围一样RF的范围也是[0, 51]。其中0为无损模式，23为缺省，51质量最差。和QP一样的趋势。RF值加6，输出码率大概减少一半；减6，输出码率翻倍。
    从主观上讲，18~28是一个合理的范围，18往往被认为从视觉上看是近似无损的。
    帧间QP变化，帧内宏块QP变化，输出码率未知，各帧输出视觉质量基本恒定。

4. ABR, 恒定平均目标码率。想要选择这种码率控制方法，必须先设置bitrate。
    X264中bitrate的单位是Kbps(K bit per sec). --bitrate 128指的是设置目标码率为128Kbps, 这样一秒钟的数据量为 128/8比特 = 16K字节。
    如果输入为352x288@15fps，相当于128Kbit/(352*288*15) = 0.086比特每像素。编码后每个像素平均分配不到0.1个比特。
    与ABR相应的技术有CBR,VBR。这些码率控制技术首先都是在音频编码中采用，是解决音频编码采用什么样的比特率最优的问题。
    CBR编码码比特率基本保持恒定在目标比特率，有利于流式播放。
    CBR的缺点在于复杂场景码率不够用，简单场景码率浪费，因此编码内容的视觉质量不稳定。通常在较低比特率下，这种质量的变化会更加明显。

VBR编码为简单场景分配较大的QP，为复杂的场景分配较小的QP，得到基本稳定的输出视觉质量。   
       相对于CBR，在相同文件大小的条件下，VBR的输出结果要比CBR好的多，这有利于媒体下载和本地存储。
    VBR的缺点在于输出码流大小不可控。同时对于复杂度恒定的内容（例如新闻播音）没什么优势。

ABR编码为简单场景分配较少的比特，从而留出足量的比特用于生成高质量的复杂部分。使得有限的比特数能够在不同的场景间合理分配，这类似于VBR。
       同时ABR分配码率，使得在一定时间内，平均码率趋近于目标码率，这样可以控制输出文件大小，这点类似于CBR。
    因此可以认为ABR是CBR和VBR的一种折中优化方案。

分析视频编码码率控制可以通过三个因素：
    1. 视觉质量稳定性，利于视觉主观质量；
    2. 即时输出码率，相当于每帧编码输出比特数；
    3. 输出视频文件大小可控，利于传输，存储。
    比较这三种码率控制方式如下：
    
       #        视觉质量稳定性         即时输出码率        输出文件大小
       CBR          不稳定               恒定               可控
       VBR           稳定                变化              不可控
       ABR         基本稳定              变化               可控 （即时码率变化，但一段时期内平均码率趋近目标码率）
    
5. 在当前X264版本中（version 142），选用ABR需要注意两个设置，1.fps；2.输出帧pts计算。  
    1. fps。ABR会根据帧率来估算每帧的平均数据量，bitrate/fps为平均一帧数据量。
       当输入视频源为YUV数据，需要显式的指定正确的帧率--fps，否则X264会用缺省的25fps来计算，有可能控制不到设定的目标码率。
    2. pts计算。ABR算法中用到不同帧的pts作为帧间距离，如果没有设置输出帧的pts值，X264会报“non-strictly-monotonic PTS”警告。
       编码出来的视频文件码率很小，根本达不到bitrate的设置，同时视频质量很差，几乎都为马赛克。两种方法解决这个问题：
       a. 设置param.b_vfr_input = 0，这时根据fps而不是timebase,timestamps来计算帧间距离。
          b_vfr_input=1是X264缺省设置，在zerolatency有=0的配置。
       b. 在解码后主动增加 pic_out.i_pts++; 语句。
       这两个方法可以同时使用。ABR 需要设置 bitrate, fps, 以及param.b_vfr_input = 0。