HEVC码率控制

参考资料：

[1]万帅，杨付正编著. 新一代高效视频编码H.265/HEVC 原理、标准与实现[M]. 北京：电子工业出版社, 2014.12.

上一章：HEVC率失真优化

码率控制概述

码率控制的主要工作是建立编码速率R与量化参数QP的关系，公式化描述为：
$$Q^{\ast }=(Q_1^{\ast },\cdots ,Q_N^{\ast })=argmi{n}_{(Q_1,\cdots ,Q_N)}\sum _{i=1}^N{D}_{i}s.t.\sum _{i=1}^N{R}_i\le R_c\text{\hspace{1em}(1)}$$

码率控制算法组成

1. 比特分配：依据视频内容、缓冲区状态、信道带宽为每个编码单元（GOP、帧、CTU）分配最优的目标比特数。HEVC多种预测技术的采用使得不同编码单元间具有高度相关性，需要在该部分着重考虑。
2. 量化参数确定：依据码率R-量化参数QP模型为每个编码单元选择最优编码参数QP。QP选择受其他参数影响较小，但其采用的模型高度依赖于视频内容特征。

缓冲区模型

缓冲区用于平衡编码器输出码率和信道速率。缓冲越大，适应信源、信道码率波动的性能越好，但相应地会引入较大延迟。

缓冲区采用流体流量模型建模：
B c ( n + 1 ) = m a x { 0 , B c ( n ) + A ( n ) − u ( n ) } (2) B_c(n+1) = max \lbrace 0 , B_c(n)+A(n)-u(n) \rbrace \tag{2} Bc​(n+1)=max{ 0,Bc​(n)+A(n)−u(n)}(2)

其中：

• $B_c(n)$为第n时刻缓冲区占用
• $A(n)$为第n时刻编码器输出码率
• $u(n)$为第n时刻信道速率

目标比特分配概述

该部分给出码率控制算法理论上的指导思想，而非具体实现。
码率控制算法需要作用于不同层级依次分配比特。HEVC中层级的顺序为：GOP-Frame-CTU。

图像层目标比特分配

由于HEVC中采用了复杂的时域参考关系，因此当前图像的编码比特数分配依赖于其参考的图像。该部分详细推导见[1]第12章，这里只给出结论：
假设已编码的图像失真确定后，当前编码图像的失真D只与其比特数R有关。（拓展：该问题具有马尔可夫性？）
假设变换系数服从参数为α的拉普拉斯分布：
$$p(x)=\frac{\alpha }{2}{e}^{(-\alpha |x|)}$$
其中：α反映视频内容特性

定义失真度为绝对误差，得率失真函数：
$$R(D)=\{\begin{array}{ll}ln(\frac{1}{\alpha D}),& 0<D\le \frac{1}{\alpha }\\ 0,& other\end{array}$$

根据[1]中描述的依赖关系：
$$\frac{\partial D_i}{\partial R_i}=-{\omega }_i$$