碼率控制（一）：理解碼率控制模式（x264,x264,vpx）
什麼是“碼率控制”？它是編碼器決定爲每幀視頻分配多少比特的工具。
視頻編碼（有損）的目標是儘可能多的節省比特（碼率）的同時儘量保持視頻質量。碼率控制是平衡碼率和質量的重要工具。
碼率控制有多種方式，你將會瞭解到"1-pass","2-pass","CBR","VBR","VBV Encoding"和"CRF"等。
下面是不同碼率控制模式的簡單示例，它告訴你作爲終端用戶應該在什麼時候用什麼模式。注意這裏不包含RDO的具體細節。
序言：可變碼率 VS 固定碼率
很多人可能更熟悉音頻編碼器，尤其是那些經歷了MP3年代的人。不過從CD的發展史來說，最開始使用固定碼率（Constant Bitrate,CBR）編碼，後來發展出了可變碼率(Variable Bitrate,VBR)。VBR可以確保在給定限制下使用最少的比特情況下保持最高質量。
簡單說，VBR可以使編碼器在難編碼的地方花費更多比特，在編碼簡單的地方花費更少比特。對編碼來說“難編碼”和“容易編碼”代表什麼呢？通常有大量運動的視頻需要更多比特，空間細節豐富和紋理複雜的視頻也較難編碼。
編碼場景有哪些？
選擇哪種碼率控制模式往往取決於你的應用場景。通常有以下幾種常見場景：
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存檔：壓縮一個文件存到硬盤或網盤上。這時你希望文件編碼後質量儘可能好同時碼率儘可能低，但是你不關心壓縮後文件的具體大小。
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流媒體：你想要通過網絡傳輸一個文件。這是你要確保文件碼率不超過網絡帶寬，或者你需要在不同帶寬下提供不同碼率的文件。（例如，在網上看視頻網絡不好時將視頻從高清切換到低清）。
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直播流：和2類似，但是你需要儘快編碼（實時），並且直播時你無法提前預知視頻內容。
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面向設備的編碼：例如你想向DVD或藍光碟上存放文件，你想使文件編碼後達到特定大小（正好佔滿碟片空間）。
瞭解使用場景可以幫助你選擇碼率控制模式。
碼率控制模式
下面介紹不同的碼率控制模式，這些模式基於ffmpeg中的x264，x265和libvpx編碼器。你可以在ffmpeg文檔找到詳細參數介紹。
注意：編碼器默認不會“填塞”比特。意味着，當編碼簡單的幀時，實際使用比特可能低於設定的比特，這時編碼器不會浪費比特強行達到設定比特。
固定QP（Constant QP,CQP）
量化參數（Quantization Parameter,QP）控制着壓縮大小。QP越大壓縮率越高同時質量越低，QP越小壓縮率越低同時質量越高。在H.264和H.265中，QP的範圍是0-51間的整數。你可以很容易的在x264和x265中設置固定QP來編碼。注意：libvpx沒有固定QP模式。
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -qp 23 <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -x265-params qp=23 <output>
可以參考這個教程瞭解更多QP的作用原理。
除非你明確的知道你想要做什麼，否則不要使用這個模式。採用CQP模式會導致根據場景複雜度不同比特率波動很大，你無法控制實際比特率。
好處：視頻編碼研究。
壞處：幾乎其他所有應用。
平均比特率（Average Bitrate,ABR）
下面是給定編碼器一個目標碼率，編碼器計算如何達到這個碼率：
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M <output>
避免使用這個模式！x264的主要開發者之一說你應該永遠不要使用它。爲什麼？因爲編碼器不知道後面還未編碼的內容，所以它不得不猜測如何達到給定碼率。這意味着碼率要一直變化，尤其是在開始時。對於 HAS-type流，這會導致在短時間內質量巨大波動。
ABR不是一種恆定碼率模式而是可變碼率模式。
好處：快速編碼。
壞處：幾乎其他所有應用。
恆定碼率（Constant Bitrate,CBR）
通過設置nal-hrd可以使編碼器強制保持在特定碼率。
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -x264-params "nal-hrd=cbr:force-cfr=1" -b:v 1M -minrate 1M -maxrate 1M -bufsize 2M <output>
輸出文件必須是MPEG-2 TS文件，因爲mp4不支持NAL填充。注意這種模式對於簡單的視頻會浪費帶寬，但是它保證整個流的碼率一致。你可以在這裏找到更多用例。在某些應用中使用這種模式是有意義的，但是你可能希望在可能的時候碼率更低。
對於VP9使用CBR的命令如下：
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M -maxrate 1M -minrate 1M <output>
好處：保持恆定碼率；視頻流（例如：Twitch）。
壞處：文檔存儲；高效使用帶寬的場景。
2-Pass Average Bitrate (2-Pass ABR)
如果允許編碼器兩遍（或更多）編碼那麼它就可以預先估計未來還未編碼的內容。它可以在第一遍編碼是計算編碼代價，然後在第二遍編碼是更高效的利用比特。這種模式使得在特定碼率下輸出的質量最好。
對於x264：
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
對於x265：
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
對於VP9：
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M -pass 1 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M -pass 2 <output>.webm
這是對流進行編碼的最簡單的方法。但有兩點注意：你不知道最終結果的質量如何，所以你必須進行多次實驗以確保給定的碼率足夠編碼複雜內容。另一點是這種模式碼率可能出現局部峯值，意味着發送能力可能超過客戶端的接受能力。對於碼率的選擇，你可以參考YouTube的推薦設置，但是注意這些都是爲了讓你上傳高質量的照片而優化的，實際中你可以選擇更低的碼率。
好處：達到特定碼率；面向設備的編碼。
壞處：如果你需要快速編碼（例如，直播流）。
Constant Quality (CQ) / Constant Rate Factor (CRF)
CRF可以保持整個視頻流質量恆定。
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -crf 23 <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -crf 28 <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -crf 30 -b:v 0 <output>
在H.264和H.265中，CRF取值爲0到51間的整數（和QP類似）。x264默認值是23，x265默認值是28。CRF增減6會導致碼率減半或加倍。對於VP9，CRF取值範圍0到63，推薦值爲15-35。
這種模式缺點是無法確定最終文件的碼率和碼率波動。
好處：文檔存儲；達到儘可能好的質量。
壞處：流媒體；需要特定碼率（或文件大小）。
VBV(Video Buffering Verifier)
對於VBV可以確保碼率不超過某個最大值。這對於流媒體非常有用，你現在可以確定你不會發送比你承諾的更多的比特。VBV可以和2-pass VBR（在兩遍編碼中都使用）或CRF一起使用。
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -crf 23 -maxrate 1M -bufsize 2M <output>
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -crf 28 -x265-params vbv-maxrate=1000:vbv-bufsize=2000 <output>
VP9有類似的模式，不叫VBV，但是原理一樣：
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -crf 30 -b:v 2M <output>
如果你在直播流中應用VBV，且你想加速編碼過程，你可以使用-tune zerolatency和-preset ultrafast選項。這會犧牲一部分質量來加速編碼。
在受約束的ABR-VBV中使用這種模式：
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M -maxrate 1M -bufsize 2M -pass 1 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libx264 -b:v 1M -maxrate 1M -bufsize 2M -pass 2 <output>
對x265：
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M -x265-params pass=1:vbv-maxrate=1000:vbv-bufsize=2000 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libx265 -b:v 1M -x265-params pass=2:vbv-maxrate=1000:vbv-bufsize=2000 <output>
對VP9：
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M -maxrate 1M -bufsize 2M -pass 1 -f null /dev/null
ffmpeg -i <input> -c:v libvpx-vp9 -b:v 1M -maxrate 1M -bufsize 2M -pass 2 <output>
如何設置bufsize？這取決於你期望碼率的波動情況。一個好的設置方法是將bufsize設爲maximum rate的兩倍。如果客戶端緩存比較小，設置bufsize等於maxrate。如果你想限制碼流的碼率，設置bufsize爲maximum rate的一半或更小。
好處：帶寬受限的流媒體；直播流（使用CRF，1-pass）；VoD流。
壞處：文檔存儲。
對比實驗
下面是不同碼率控制算法的比較。使用Big Buck Bunny和Tears of Steel序列，每個序列截取三段（每段30秒）。使用libx264編碼器，除了碼率控制模式不同外，其他都是默認設置。設置了不同的目標碼率（750，1500，3000，7500kbit/s）和最大碼率（針對VBV）和QP/CRF值（17，23，29，35）。
注意這個實驗並不充分，你可以嘗試更多的序列和使用不同編碼器。
下圖是使用不同碼率控制模式的結果。左邊是3000kbit/s的結果，右邊是7500kbit/s的結果。另兩種結果的圖像差不多，這裏不再展示。每條線代表不同模式下碼流的碼率變化情況。
從BBB1看出，ABR（藍綠色線）和ABR+VBV（紫色線）開始時錯估了視頻複雜度，實際是BBB視頻的開始部分比較平滑，運動比較小只需要很少的比特就可以保證質量。2-pass模式在開始時正確估計了複雜度，起始使用了低碼率節省了帶寬。視頻的後1/3部分，空間細節豐富使得2-pass模式消耗了大量比特，超過了起始節省的比特。
BBB2視頻裏，不同模式實際上比預期要好。但是2-pass的波動還是比其他模式更多。
下面是CQP和CRF的實驗情況，這裏只展示了CRF/CQP爲17和23的結果。CRF的效果更好。
下面是CRF+VBV在不同碼率下的結果。爲CRF選擇合適的目標碼率和最大碼率通常需要多次嘗試，完全取決於視頻源。
翻譯自Understanding Rate Control Modes (x264, x265, vpx)
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