x264的码率控制

码率控制基本概念

码率控制是指视频编码中决定输出码率的过程。首先介绍一下 X264 中使用到的与码率控制相关的几个概念：

CQP(Constant QP) 恒定QP（Quantization Parameter）,追求量化失真的恒定，瞬时码率会随场景复杂度而波动，该模式基本被淘汰(被 CRF 取代)，只有用”-pq 0”来进行无损编码还有价值。

CRF(Constant Rate Factor),恒定质量因子，与恒定 QP 类似，但追求主观感知到的质量恒定，瞬时码率也会随场景复杂度波动。对于快速运动或细节丰富的场景会适当增大量化失真（因为人眼不易注意到），反之对于静止或平坦区域则减少量化失真。

ABR(Average Bitrate),平均码率，追求整个文件的码率平均达到指定值（对于流媒体有何特殊之处？）。瞬时码率也会随着场景复杂度波动，但最终要受平均值的约束。

CBR(Constant Bitrate),恒定码率。前面几个模式都属于可变码率（瞬时码率在波动），即VBR（Variable Bitrate）；恒定码率与之相对，即码率保持不变。

x264 并没有直接提供 CBR 这种模式，但可以通过在 VBR 模式的基础上做进一步限制来达到恒定码率的目标。CRF 和 ABR 模式都能通过–vbv-maxrate –vbv-bufsize来限制码率波动。

关于这几个概念的参考如下：

1.Waht are CBR,VBV and CPB?
2.FFmpeg and H.264 Encoding Guide
3.CRF Guide(Constant Rate Factor in X264 and X265)
4.MeGUI/x264 setting

X264 中码率控制

X264 中对于码率控制方法有三种：X264_RC_CQP、X264_RC_CRF、X264_RC_ABR。默认情况是选择 CRF 方法，设置是在 x264_param_default函数里设置的

param->rc.i_rc_method = X264_RC_CRF;
param->rc.f_rf_constant = 23;

关于这三种方法，网上有提到优先级是ABR>CQP>CRF的，但分析 X264 的源码，并没有看出有优先级顺序，关于码率控制方法的设置代码如下：

OPT("bitrate")
{
    p->rc.i_bitrate = atoi(value);
    p->rc.i_rc_method = X264_RC_ABR;
}
OPT2("qp", "qp_constant")
{
    p->rc.i_qp_constant = atoi(value);
    p->rc.i_rc_method = X264_RC_CQP;
}
OPT("crf")
{
    p->rc.f_rf_constant = atof(value);
    p->rc.i_rc_method = X264_RC_CRF;
}

X264 中关于 QP设置

首先看一段 X264 中关于 QP 值的代码，该段代码在x264_ratecontrol_new：

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);

从上面的代码可以看出，默认的i_qp_constant或者通过命令行传入的qp qp_constant实际设置的是 P 帧的 QP。I 帧和 B 帧的 QP 设置是根据f_ip_factor f_pb_factor计算得到。

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），然后比较算法优劣。在 X264 中，关于QPmin、QPmax、QPstep的默认设置如下：

param->rc.i_qp_min = 0;
param->rc.i_qp_max = QP_MAX;
param->rc.i_qp_step = 4;

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，此时没必要继续降低 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。不建议调整该参数。

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）。

. 比较三种码率控制方式如下：