视频编码中的码率控制模式

数字视频在处理、存储和传输上需要大量数据，典型的 30FPS 的高清视频（1920x1080），如果每个像素需要 8bit 来表示的话，那么每秒需要大约 15亿 bit。而视频编码技术的目标就是获取码率和视觉质量之间的权衡。

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1920 x 1080 x 8 x 3 x 30 = 1,492,992,000

在视频编码技术中，码率控制（Rate Control）是一件非常重要的事情。在编码视频帧时，码率控制决定了编码器为该视频帧分配的 bit 数。

本文将基于 FFmpeg 中的 X264、X265 编码器来介绍常用的码率控制模式。

CQP(Constant Quantization Parameter)

QP(Quantization Parameter) 用于控制每帧视频中每一个宏块的压缩量。实际上，QP 反映了空间细节压缩情况。QP 越小，就会保留越多的细节信息，视频质量也会越高，同时码率越大。QP 越大，细节信息丢失的越多，码率也会随之降低，但图像失真也会越严重。也就是说，QP 和码率成反比，QP 越大，码率越低；QP 越小，码率越高。

在 H.264/H.265 中，QP 的取值范围为 $[0, 51]$。利用 FFmpeg，我们可以非常方便的为整个编码（转码）过程设置一个固定的 QP。

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ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -qp 23 <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -x265-params qp=23 <output>

QP 与 率失真曲线

在评估不同编码器时，我们会用到率失真（$RD$）曲线。一般而言，$RD$ 曲线都是以码率(Kbps)做为横坐标，以 $PSNR(dB)$ 作为纵坐标做出来一条曲线。对于 $RD$ 曲线上的点，我们一般采用的是 $QP=28, 32, 36, 40$ 这四个 QP 下的编码码率和编码质量。

ABR(Average Bitrate)

ABR 又称为目标码率（target bitrate）。ABR 会为编码器设置一个目标码率，然后让编码器来计算如何才能达到我们设定的目标码率。

我们可以利用如下的命令将目标码率设定为 1Mbs。

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ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M <output>

ABR 并不是一种固定码率控制模式。尽管 ABR 也是一种 VBR 模式，但是 因为 ABR 并无法可靠的提供良好的编码质量，因此，ABR 也并不比 CBR 好多少。

CBR(Constant Bitrate)

如果我们需要强制编码器总是使用某个固定的码率来编码视频，我们可以使用 CBR。对于 x264，可以通过 nal-hrd 来设置 CBR 和 VBR 模式。

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ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -x264-params "nal-hrd=cbr:force-cfr=1" \
-b:v 1M -minrate 1M -maxrate 1M -bufsize 2M <output>

CRF(Constant Rate Factor)

CRF 是 x264 和 x265 编码器的默认质量/码率控制设置。CRF 的取值范围为 $[0,51]$，数值越低，质量越好，文件越大。对于不同的编码器，CRF的默认值如下：

• x264：23
• x265：28

当CRF 取值为 18(x264)、24(x265) 时，其编码质量在视觉上被认为是无感知的，更小的取值往往意味着码率的浪费。

CRF 的值每 $\pm 6$，对应的编码文件的大小就会增加1倍或减半。

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ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -crf 23 <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -crf 28 <output>

2-Pass ABR(2-Pass Average Bitrate)

当采用 2-Pass 编码的时候，对于视频流中的所有数据，编码器会对其处理两次。在第一遍处理的时候，编码器会收集视频的相关信息，在第二次处理时，编码器利用第一次处理收集到的信息来优化编码过程。

在 CBR 模式下，2-Pass 编码比 1-Pass 编码的效率更高。2-Pass 编码比 1-Pass 编码的质量要高，但是编码时间也会随之增加。使用 2-Pass 编码时，对于场景变化不大的画面（如静态画面），分配的码率会低一些；而场景变化大的画面（如赛车、运动等），分配的码率会高一些。因此， 2-Pass 编码可以让整部影片的清晰度比较均匀。

x264 编码器的 2-Pass 编码命令如下：

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ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M -pass 1 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M -pass 2 <output>.mp4

x265 编码器的 2-Pass 编码命令如下：

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ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M -x265-params pass=1 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M -x265-params pass=2 <output>.mp4

参考文献

• Understanding Rate Control Modes (x264, x265, vpx)
• CRF Guide (Constant Rate Factor in x264, x265 and libvpx)