碼率控制（五）：流體流量模型

碼率控制（五）：流體流量模型

碼率控制的主要作用就是適應帶寬需求來壓縮碼率，防止網絡頻繁丟包

流體流量模型就是模擬比特數據在網絡和緩存器中的狀態，下面從解碼端的視角來說明。

HRD( hypothetical reference decoder)中的CPB(coded picture buffer)是用來緩存比特數據的，CPB的容量有限，如果CPB裝滿了則接下來的數據就會溢出造成數據丟失（上溢），如果CPB太空則造成浪費（下溢）。

CPB的狀態可以用三個量來刻畫，R、B、F。R表示網絡傳輸帶寬，B表示CPB容量，F表示CPB充盈度。下圖是一個CPB的狀態變化圖：

 

其中i表示第i幀圖像，bi表示第i幀圖像的比特數，f表示幀率。

什麼是上溢和下溢？

碼率控制算法的一個重要作用就是防止CPB上溢和下溢。

 

上面兩個公式分別描述了上溢和下溢發生的情況。

公式（1）表示在某個時刻從CPB中取出第i幀數據用於解碼，同時網絡向CPB中寫入R/f比特數據，此時CPB的比特數超過容量B發生了上溢。下圖是發生上溢的情況。

 

公式（2）表示在某個時刻從CPB中取出第i幀數據用於解碼，但CPB中數據不夠，發生了下溢。下圖是發生下溢的情況。

 

防止上溢和下溢

爲了防止上溢和下溢的發生，HM中實現了幀級的碼率調整，使CPB的充盈度保持在10%-90%。碼率調整在計算圖像lambda和QP之前完成。

如下圖所示：

 

上面的狀態圖可以用下面公式表示：

 

tbi是HM中碼率控制算法計算的第i幀的目標比特，如果發生上溢則將tbi設置爲Fi+R/f-Bx0.9，如果發生上溢則將tbi設置爲max(200,Fi-Bx0.1)。

參考代碼

#if U0132_TARGET_BITS_SATURATION
      if (m_pcRateCtrl->getCpbSaturationEnabled() && frameLevel != 0)
      {
        Int estimatedCpbFullness = m_pcRateCtrl->getCpbState() + m_pcRateCtrl->getBufferingRate();
​
        // prevent overflow
        if (estimatedCpbFullness - estimatedBits > (Int)(m_pcRateCtrl->getCpbSize()*0.9f))
        {
          estimatedBits = estimatedCpbFullness - (Int)(m_pcRateCtrl->getCpbSize()*0.9f);
        }
​
        estimatedCpbFullness -= m_pcRateCtrl->getBufferingRate();
        // prevent underflow
#if V0078_ADAPTIVE_LOWER_BOUND
        if (estimatedCpbFullness - estimatedBits < m_pcRateCtrl->getRCPic()->getLowerBound())
        {
          estimatedBits = max(200, estimatedCpbFullness - m_pcRateCtrl->getRCPic()->getLowerBound());
        }
#else
        if (estimatedCpbFullness - estimatedBits < (Int)(m_pcRateCtrl->getCpbSize()*0.1f))
        {
          estimatedBits = max(200, estimatedCpbFullness - (Int)(m_pcRateCtrl->getCpbSize()*0.1f));
        }
#endif
​
        m_pcRateCtrl->getRCPic()->setTargetBits(estimatedBits);
      }
#endif

參考

JCTVC-U0132

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