码率控制

音视频

码率控制就是给定输入视频，在给定的时间内输出满足码率要求的一个编码决策过程。

bitrate mode

CBR（Constant bitrate mode）

CBR（Constant BitRate）是以恒定比特率方式进行编码，由于码率恒定，有Motion发生时，图像质量变差（码率不够），当场景静止时，图像质量又变好（码率浪费），因此图像质量不稳定，这种算法优先考虑码率(带宽)。
ffmpeg设置方式:

// 平均码率
AVCodecContext->bit_rate = bitrate;
// 最小码率
AVCodecContext->rc_min_rate = bitrate;
// 最大码率
AVCodecContext->rc_max_rate = bitrate;
// we must set rc_buffer_size once we have set rc_max_rate
AVCodecContext->rc_buffer_size = bitrate;

VBR（Variable bitrate mode）

VBR（Variable BitRate）可变码率，即码率可以随着图像复杂程度的不同而变化。码率控制算法根据图像内容确定使用的码率，图像内容比较简单则分配较少码率，图像内容复杂则分配较多码率，这样既保证质量，又兼顾带宽，这种算法优先考虑图像质量。

ABR（Average Bitrate）

平均码率，属于VBR的一种，就是设定编码文件的平均码率，编码过程中根据编码图像内容分配不同的码率，最终编码结束时达到设定的平均码率。

ffmpeg设置方式:

// 平均码率
AVCodecContext->bit_rate = bitrate;
// In ABR mode, we set rc_min_rate/rc_max_rate/rc_buffer_size to 0
AVCodecContext->rc_min_rate = 0;
AVCodecContext->rc_max_rate = 0;
AVCodecContext->rc_buffer_size = 0;

CQP(Constant Quantization Parameter)

恒定量化参数，所有编码图像区域，即编码帧、编码Slice，都使用相同QP，即追求量化失真的恒定，瞬时码率会随场景复杂度而波动。这种模式基本被CRF取代，只有用–qp 0来进行无损编码还有价值。

针对FFmpeg x264编码器，可以以qp为Key，设置qp值，范围为0~51，值越小，量化损失越小，0表示无损。

AVDictionary *opt = nullptr;
const char *qp = "2";
av_dict_set(&opt, "qp", qp, 0);
// 打开编码器，把opt参数设置给编码器
avcodec_open2(AVCodecContext, AVCodec, &opt);

CRF(Constant rate factor)

恒定质量因子，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。

CRF取值范围为0~51，值越低，质量越好，文件越大。
x264的一般取值为18-28，默认值是23，x265默认值是28。

为了让主观质量差不多，CRF编码过程中会使用不同的QP值，对于运动比较大的场景，会把QP设得更高一些，对于静止帧，会降低QP，这会导致码率分配随时间变化不同。

比起运动物体，人眼对静止物体会观察到更多细节。基于这一想法，编码时，对运动物体给更高压缩率（增大QP），而对静止物体保留更多细节（减少QP）。

针对FFmpeg x264编码器，可以以crf为Key，设置crf值。

AVDictionary *opt = nullptr;
const char *crf = "23";
// 如果采用码率策略，且maxBitrate值合法，则设置最大max_rate；否则采用zerolatency模式
if(maxBitrate > 0){
    // max_rate可能有20%的码率波动，所以将max_rate设置为0.8倍
    AVCodecContext->rc_max_rate = 0.8 * maxBitrate;
    AVCodecContext->rc_buffer_size = 0.8 * maxBitrate * 2;
    // 去掉zerolantacy，码率和psnr均会上升，通过增加crf来平衡
    av_dict_set(&opt, "crf", crf + 3, 0);
} else {
    // zerolatency表示零延迟
    av_dict_set(&opt, "tune", "zerolatency", 0);
    av_dict_set(&opt, "crf", crf, 0);
}
// 打开编码器，把opt参数设置给编码器
avcodec_open2(AVCodecContext, AVCodec, &opt);

整体看，CBR是独立一类，编码过程中，码率不变，其他都属于VBR，编码过程中，码率跟随场景而变化。

• ABR：码率随场景变动，为了达到平均码率。
• CQP：码率随场景变动，为了达到恒定QP。
• CRF：码率随场景变动，为了达到恒定CRF。

X264编码参数

Profile

Profile是对视频压缩特性的描述，主要有Baseline、Main Profile（MP）、High Profile（HP）等，从左到右编码效率不断提高，清晰度也有所提升。

Level

Level是对视频本身特性的描述（码率、分辨率、fps），Level越高，视频的码率、分辨率、fps越高。

在给定Profile下，level通常与编解码器的处理能力和内存容量相对应。每一个档次设置不同的参数（码率、分辨率、fps），得到对应编解码器性能的不同level，level分级如下所示：

preset

表示编码质量（压缩效率）和编码速度之间的平衡，取值如下：

1. ultrafast
2. superfast
3. veryfast
4. faster
5. fast
6. medium
7. slow
8. slower
9. veryslow
10. placebo

从上到下，编码速度越来越慢，编码质量越来越好，压缩效率越来越高，默认值是medium。

tune

tune是x264中重要性仅次于preset的选项，它是视觉优化的参数，tune可以理解为视频偏好或者视频类型，有如下取值：

• film：电影类型，对视频的质量非常严格时，使用该选项
• animation：动画片，压缩的视频是动画片时，使用该选项
• grain：颗粒物很重，该选项适用于颗粒感很重的视频
• stillimage：静态图像，该选项主要用于静止画面比较多的视频
• psnr：提高psnr，该选项编码出来的视频psnr比较高
• ssim：提高ssim，该选项编码出来的视频ssim比较高
• fastdecode：快速解码，该选项有利于快速解码
• zerolatency：零延迟，该选项主要用于视频直播

合成发布场景

硬编码

VBR + 指定码率 + 指定Profile

软编码

Preset、CRF和MaxRate组合，不同国家使用不同策略。
Preset越小，合成速度越快，但是压缩效率越低。（合成发布场景下，Preset应该越小越好）
CRF越小，画质越好，码率越大。
AVCodecContext->rc_max_rate和AVCodecContext->rc_buffer_size一起限制最大码率。

参考文档

1. CRF和QP的区别