openh264 帧级码率控制原理：RcCalculateIdrQp 函数

RcCalculateIdrQp函数

功能

在码控中，当eSliceType为I_SLICE时计算 IDR 帧的帧级量化参数QP 值。

原理过程

初始化变量：
dBpp：初始化为0，用来存储比特率每像素（bits per pixel）的值。
i：一个整型循环变量。

注释说明：
提供了不同分辨率和帧率下的目标比特率每像素值（bpp）和对应的量化参数（QP）示例。

定义数组：
dBppArray：一个二维数组，存储不同分辨率下的比特率每像素值的阈值。
dInitialQPArray：一个二维数组，存储不同分辨率下对应的初始量化参数。
iQpRangeArray：一个二维数组，存储量化参数的范围。

计算帧复杂度：
根据编码参数的用途类型（iUsageType），可能使用不同的方法来计算帧复杂度（iFrameComplexity）。

获取编码器的比特率控制和空间层配置：
pWelsSvcRc：指向比特率控制结构体的指针。
pDLayerParam：指向空间层配置的指针。
pDLayerParamInternal：指向空间层内部配置的指针。

计算比特率每像素值（dBpp）：
如果输出帧率、视频宽度和高度都大于0，则根据空间层的比特率、输出帧率、视频宽度和高度计算dBpp。
如果上述条件不满足，则将dBpp设置为0.1，这可能是一个默认值或者最小值。

分辨率与索引关联：
根据视频的分辨率（宽度乘以高度）来设置iBppIndex。这个索引将用于选择适当的比特率每像素（bpp）阈值和初始量化参数。
iBppIndex为0时，对应90p视频（160x90像素）。
iBppIndex为1时，对应180p视频（320x180像素）。
iBppIndex为2时，对应360p视频（640x360像素）。
如果分辨率大于360p，则iBppIndex默认为3。

搜索合适的bpp阈值：
使用一个循环来搜索dBppArray中不超过当前dBpp值的最大阈值。循环中的i变量从0开始，直到找到合适的阈值或达到数组的最后一个元素。

确定量化参数范围：
根据找到的阈值索引i和iBppIndex，从iQpRangeArray中获取量化参数的最大值iMaxQp和最小值iMinQp。

量化参数范围的调整：
使用WELS_CLIP3函数来确保iMinQp和iMaxQp在编码器设定的最小量化参数pWelsSvcRc->iMinQp和最大量化参数pWelsSvcRc->iMaxQp之间。

检查是否为第一个IDR帧：
如果pWelsSvcRc->iIdrNum等于0，表示当前正在处理的是序列的第一个IDR帧。

设置第一个IDR帧的初始量化参数：
对于第一个IDR帧，使用dInitialQPArray数组中对应iBppIndex和索引i的值作为初始量化参数iInitialQp。

处理非第一个IDR帧：
如果当前IDR帧不是序列中的第一个IDR帧，则根据前一个IDR帧的复杂度来计算量化参数。

调整内部分块复杂度：
如果iNumberMbFrame（帧的宏块数）不等于iIntraMbCount（帧内的内部分块数），则重新计算iIntraComplexity，即内部分块的复杂度。

计算复杂度比率：
使用WELS_DIV_ROUND64函数计算iFrameComplexity（当前帧的复杂度）与iIntraComplxMean（平均内部分块复杂度）的比率iCmplxRatio，并且乘以一个常数INT_MULTIPLY。

限制复杂度比率的范围：
使用WELS_CLIP3函数将iCmplxRatio限制在INT_MULTIPLY - FRAME_CMPLX_RATIO_RANGE和INT_MULTIPLY + FRAME_CMPLX_RATIO_RANGE之间。

计算量化步长：
根据iIntraComplexity、iCmplxRatio和目标比特数iTargetBits计算量化步长iQStep，使用WELS_DIV_ROUND函数。

将量化步长转换为量化参数：
使用RcConvertQStep2Qp函数将量化步长iQStep转换为量化参数iInitialQp。

限制初始量化参数：
pWelsSvcRc->iInitialQp = WELS_CLIP3 (pWelsSvcRc->iInitialQp, iMinQp, iMaxQp);
使用WELS_CLIP3函数确保iInitialQp（初始量化参数）在预定义的最小量化参数iMinQp和最大量化参数iMaxQp之间。这是为了确保量化参数不会超出设定的范围。

设置全局量化参数：
pEncCtx->iGlobalQp = pWelsSvcRc->iInitialQp;
将初始量化参数赋值给编码上下文pEncCtx中的全局量化参数iGlobalQp。这个全局参数会被编码过程中的其他部分使用。

转换量化参数为量化步长：
pWelsSvcRc->iQStep = RcConvertQp2QStep (pEncCtx->iGlobalQp);
将量化参数转换为量化步长iQStep。量化步长是比特率控制算法中的一个中间参数，用于进一步的计算。

记录最后计算的量化参数：
pWelsSvcRc->iLastCalculatedQScale = pEncCtx->iGlobalQp;
将当前的全局量化参数保存为最后计算的量化参数iLastCalculatedQScale。用于跟踪和调整编码过程中的量化参数。

设置帧的最小和最大量化参数：
pWelsSvcRc->iMinFrameQp = WELS_CLIP3 (pEncCtx->iGlobalQp - DELTA_QP_BGD_THD, iMinQp, iMaxQp);
pWelsSvcRc->iMaxFrameQp = WELS_CLIP3 (pEncCtx->iGlobalQp + DELTA_QP_BGD_THD, iMinQp, iMaxQp);
分别计算帧的最小量化参数iMinFrameQp和最大量化参数iMaxFrameQp。它们是基于全局量化参数iGlobalQp减去或加上一个阈值DELTA_QP_BGD_THD来计算的，然后使用WELS_CLIP3函数确保结果在iMinQp和iMaxQp的范围内。

原理流程图

在这里插入图片描述

源码

void RcCalculateIdrQp (sWelsEncCtx* pEncCtx) {
  double dBpp = 0;
  int32_t i;

//64k@6fps for 90p:     bpp 0.74    QP:24
//192k@12fps for 180p:  bpp 0.28    QP:26
//512k@24fps for 360p:  bpp 0.09    QP:30
//1500k@30fps for 720p: bpp 0.05    QP:32
  double dBppArray[4][3] = {{0.5, 0.75, 1.0}, {0.2, 0.3, 0.4}, {0.05, 0.09, 0.13}, {0.03, 0.06, 0.1}};
  int32_t dInitialQPArray[4][4] = {{28, 26, 24, 22}, {30, 28, 26, 24}, {32, 30, 28, 26}, {34, 32, 30, 28}};
  int32_t iBppIndex = 0;
  int32_t iQpRangeArray[4][2] = {{37, 25}, {36, 24}, {35, 23}, {34, 22}};
  int64_t iFrameComplexity = pEncCtx->pVaa->sComplexityAnalysisParam.iFrameComplexity;
  if (pEncCtx->pSvcParam->iUsageType == SCREEN_CONTENT_REAL_TIME) {
    SVAAFrameInfoExt* pVaa = static_cast<SVAAFrameInfoExt*> (pEncCtx->pVaa);
    iFrameComplexity = pVaa->sComplexityScreenParam.iFrameComplexity;
  }
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc                = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SSpatialLayerConfig* pDLayerParam     = &pEncCtx->pSvcParam->sSpatialLayers[pEncCtx->uiDependencyId];
  SSpatialLayerInternal* pDLayerParamInternal       = &pEncCtx->pSvcParam->sDependencyLayers[pEncCtx->uiDependencyId];
  if (pDLayerParamInternal->fOutputFrameRate > EPSN && pDLayerParam->iVideoWidth && pDLayerParam->iVideoHeight)
    dBpp = (double) (pDLayerParam->iSpatialBitrate) / (double) (pDLayerParamInternal->fOutputFrameRate *
           pDLayerParam->iVideoWidth *
           pDLayerParam->iVideoHeight);
  else
    dBpp = 0.1;
//Area*2
  if (pDLayerParam->iVideoWidth * pDLayerParam->iVideoHeight <= 28800) // 90p video:160*90
    iBppIndex = 0;
  else if (pDLayerParam->iVideoWidth * pDLayerParam->iVideoHeight <= 115200) // 180p video:320*180
    iBppIndex = 1;
  else if (pDLayerParam->iVideoWidth * pDLayerParam->iVideoHeight <= 460800) // 360p video:640*360
    iBppIndex = 2;
  else
    iBppIndex = 3;

//Search
  for (i = 0; i < 3; i++) {
    if (dBpp <= dBppArray[iBppIndex][i])
      break;
  }
  int32_t iMaxQp = iQpRangeArray[i][0];
  int32_t iMinQp = iQpRangeArray[i][1];
  iMinQp = WELS_CLIP3 (iMinQp, pWelsSvcRc->iMinQp, pWelsSvcRc->iMaxQp);
  iMaxQp = WELS_CLIP3 (iMaxQp, pWelsSvcRc->iMinQp, pWelsSvcRc->iMaxQp);
  if (0 == pWelsSvcRc->iIdrNum) { //the first IDR frame
    pWelsSvcRc->iInitialQp = dInitialQPArray[iBppIndex][i];
  } else {

    //obtain the idr qp using previous idr complexity
    if (pWelsSvcRc->iNumberMbFrame != pWelsSvcRc->iIntraMbCount) {
      pWelsSvcRc->iIntraComplexity = pWelsSvcRc->iIntraComplexity * pWelsSvcRc->iNumberMbFrame /
                                     pWelsSvcRc->iIntraMbCount;
    }

    int64_t iCmplxRatio = WELS_DIV_ROUND64 (iFrameComplexity * INT_MULTIPLY,
                                            pWelsSvcRc->iIntraComplxMean);
    iCmplxRatio = WELS_CLIP3 (iCmplxRatio, INT_MULTIPLY - FRAME_CMPLX_RATIO_RANGE, INT_MULTIPLY + FRAME_CMPLX_RATIO_RANGE);
    pWelsSvcRc->iQStep = WELS_DIV_ROUND ((pWelsSvcRc->iIntraComplexity * iCmplxRatio),
                                         (pWelsSvcRc->iTargetBits * INT_MULTIPLY));
    pWelsSvcRc->iInitialQp = RcConvertQStep2Qp (pWelsSvcRc->iQStep);
  }

  pWelsSvcRc->iInitialQp = WELS_CLIP3 (pWelsSvcRc->iInitialQp, iMinQp, iMaxQp);
  pEncCtx->iGlobalQp = pWelsSvcRc->iInitialQp;
  pWelsSvcRc->iQStep = RcConvertQp2QStep (pEncCtx->iGlobalQp);
  pWelsSvcRc->iLastCalculatedQScale = pEncCtx->iGlobalQp;
  pWelsSvcRc->iMinFrameQp = WELS_CLIP3 (pEncCtx->iGlobalQp - DELTA_QP_BGD_THD, iMinQp, iMaxQp);
  pWelsSvcRc->iMaxFrameQp = WELS_CLIP3 (pEncCtx->iGlobalQp + DELTA_QP_BGD_THD, iMinQp, iMaxQp);

}