openh264 宏块级码率控制源码分析

openh264 宏块级码率控制函数关系

宏块级核心函数分析

WelsRcMbInitGom函数

1. 功能：openh264 码率控制框架中宏块级码率控制函数，根据是否启用GOM QP来决定如何设置宏块的QP值，以控制编码的质量和比特率。
2. 原理过程：

• 函数参数：
  • pEncCtx: 指向编码上下文的指针，包含编码过程中所需的全局信息。
  • pCurMb: 指向当前宏块的指针，宏块是视频编码的基本单位。
  • pSlice: 指向当前切片的指针，切片是一系列连续宏块的集合。
• 局部变量：
  • pWelsSvcRc: 指向服务层码率控制结构的指针。
  • pSOverRc: 指向切片覆盖码率控制结构的指针。
  • pCurLayer: 指向当前解码质量层的指针。
  • kuiChromaQpIndexOffset: 色度QP索引偏移量，用于调整色度通道的量化参数。
• 主要逻辑：
  • 首先，获取当前宏块的比特流位置，并更新到切片覆盖码率控制结构中。
  • 如果全局优化码率控制（GOM QP）被启用：
    • 如果当前宏块是GOM的起始宏块（即其索引能被GOM的数量整除），并且不是切片的起始宏块，则增加复杂度指数。
    • 调用RcCalculateGomQp函数计算GOM的QP值。
    • 调用RcGomTargetBits函数计算GOM的目标比特数。
    • 调用RcCalculateMbQp函数计算当前宏块的QP值。
  • 如果GOM QP未启用：
    • 将当前宏块的亮度QP值设置为全局QP值。
    • 根据亮度QP值和色度QP索引偏移量，计算并设置色度QP值。
• 关键功能：
  • 函数通过判断是否启用GOM QP来决定如何设置宏块的量化参数（QP），这影响编码后视频的质量和比特率。
  • 使用CLIP3_QP_0_51宏来确保QP值在有效范围内（0到51）。

3. 源码：

void WelsRcMbInitGom (sWelsEncCtx* pEncCtx, SMB* pCurMb, SSlice* pSlice) {
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc        = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SRCSlicing* pSOverRc          = &pSlice->sSlicingOverRc;
  SDqLayer* pCurLayer           = pEncCtx->pCurDqLayer;
  const uint8_t kuiChromaQpIndexOffset = pCurLayer->sLayerInfo.pPpsP->uiChromaQpIndexOffset;

  pSOverRc->iBsPosSlice = pEncCtx->pFuncList->pfGetBsPosition (pSlice);
  if (pWelsSvcRc->bEnableGomQp) {
    //calculate gom qp and target bits at the beginning of gom
    if (0 == (pCurMb->iMbXY % pWelsSvcRc->iNumberMbGom)) {
      if (pCurMb->iMbXY != pSOverRc->iStartMbSlice) {
        pSOverRc->iComplexityIndexSlice++;
        RcCalculateGomQp (pEncCtx, pSlice, pCurMb);
      }
      RcGomTargetBits (pEncCtx, pSlice);
    }

    RcCalculateMbQp (pEncCtx, pSlice, pCurMb);
  } else {
    pCurMb->uiLumaQp   = pEncCtx->iGlobalQp;
    pCurMb->uiChromaQp = g_kuiChromaQpTable[CLIP3_QP_0_51 (pCurMb->uiLumaQp + kuiChromaQpIndexOffset)];
  }

}

RcCalculateGomQp函数

1. 功能：计算宏块组的量化参数 qp 的具体实现
2. 原理过程：

• 函数参数：
  • pEncCtx: 指向编码上下文的指针，包含编码过程中所需的全局信息。
  • pSlice: 指向当前切片的指针。
  • pCurMb: 指向当前宏块的指针，虽然在这段代码中没有直接使用。
• 局部变量：
  • pWelsSvcRc: 指向服务层码率控制结构的指针。
  • pSOverRc: 指向切片覆盖码率控制结构的指针。
  • iBitsRatio: 用于计算比特率比例的变量。
• 主要逻辑：
  • 计算剩余的比特数 iLeftBits，即目标比特数减去已使用的比特数。
  • 计算目标剩余比特数 iTargetLeftBits，考虑了当前GOM的已用比特数。
• QP调整逻辑：
  • 如果剩余比特数小于或等于0，增加QP以降低质量，减少比特率的使用。
  • 否则，根据比特率比例 iBitsRatio 来调整QP：
    • 如果 iBitsRatio 小于 8409，增加QP 2。
    • 如果 iBitsRatio 在 8409 和 9439 之间，增加QP 1。
    • 如果 iBitsRatio 大于 10600，减少QP 1。
    • 如果 iBitsRatio 大于 11900，减少QP 2。
• QP值的边界限制：
  • 使用 WELS_CLIP3 宏来确保计算出的QP值在允许的最小值和最大值之间。
• 重置GOM比特计数器：
  • 将 iGomBitsSlice 重置为0，为下一个GOM的比特计数做准备。
• 注释：
  • 注释中提到了一个可能的日志记录语句，但在这段代码中被注释掉了。
• 设计目的：
  • 函数的目的是根据当前的编码比特率情况动态调整量化参数，以控制视频的质量和编码效率。
• 关键功能：
  • 函数通过计算剩余比特数与目标比特数的比例，动态调整QP值，实现码率控制。

3. 源码：

void RcCalculateGomQp (sWelsEncCtx* pEncCtx, SSlice* pSlice, SMB* pCurMb) {
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc    = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SRCSlicing* pSOverRc      = &pSlice->sSlicingOverRc;
  int64_t iBitsRatio        = 1;

  int64_t iLeftBits         = pSOverRc->iTargetBitsSlice - pSOverRc->iFrameBitsSlice;
  int64_t iTargetLeftBits   = iLeftBits + pSOverRc->iGomBitsSlice - pSOverRc->iGomTargetBits;
  if ((iLeftBits <= 0) || (iTargetLeftBits <= 0)) {
    pSOverRc->iCalculatedQpSlice += 2;
  } else {
//globe decision
    iBitsRatio = 10000 * iLeftBits / (iTargetLeftBits + 1);
    if (iBitsRatio < 8409)              //2^(-1.5/6)*10000
      pSOverRc->iCalculatedQpSlice += 2;
    else if (iBitsRatio < 9439)         //2^(-0.5/6)*10000
      pSOverRc->iCalculatedQpSlice += 1;
    else if (iBitsRatio > 10600)        //2^(0.5/6)*10000
      pSOverRc->iCalculatedQpSlice -= 1;
    else if (iBitsRatio > 11900)        //2^(1.5/6)*10000
      pSOverRc->iCalculatedQpSlice -= 2;
  }
  pSOverRc->iCalculatedQpSlice = WELS_CLIP3 (pSOverRc->iCalculatedQpSlice, pWelsSvcRc->iMinFrameQp,
                                 pWelsSvcRc->iMaxFrameQp);
// WelsLog (& (pEncCtx->sLogCtx), WELS_LOG_DEBUG,"iCalculatedQpSlice =%d,iBitsRatio = %d\n",pSOverRc->iCalculatedQpSlice,iBitsRatio);
  pSOverRc->iGomBitsSlice = 0;

}

RcGomTargetBits函数

1. 功能：在视频编码过程中为一个组（Group of Macroblocks，GOM）分配目标比特数。
2. 原理过程：

• 函数参数：
  • pEncCtx: 指向编码上下文的指针，包含编码过程中所需的全局信息。
  • pSlice: 指向当前切片的指针。
• 局部变量：
  • pWelsSvcRc: 指向当前依赖层的码率控制服务结构体的指针。
  • pWelsSvcRc_Base: 指向基础码率控制服务结构体的指针，可能用于比较或计算。
  • pSOverRc: 指向切片覆盖码率控制结构的指针。
  • iAllocateBits: 用于存储分配给当前GOM的比特数。
  • iSumSad: 用于累加GOM的总SAD（Sum of Absolute Differences）值。
  • iLastGomIndex: 表示最后一个GOM的索引。
  • iLeftBits: 表示剩余的比特数。
  • kiComplexityIndex: 表示当前GOM的复杂度指数。
• 主要逻辑：
  • 计算最后一个GOM的索引 iLastGomIndex。
  • 计算剩余的比特数 iLeftBits。
  • 如果剩余比特数小于或等于0，将GOM的目标比特数设置为0并返回。
  • 如果当前复杂度指数等于最后一个GOM的索引，将所有剩余比特数分配给当前GOM。
  • 否则，计算从当前复杂度指数到最后一个GOM的SAD总和 iSumSad。
  • 根据SAD值按比例分配剩余比特数。
• 比特分配策略：
  • 如果 iSumSad 为0，等比例分配剩余比特数。
  • 如果 iSumSad 不为0，根据当前GOM的SAD值占总SAD的比例来分配比特数。
• 辅助函数：
  • RcJudgeBaseUsability: 用于判断基础码率控制服务结构体的可用性，其返回值可能用于计算。
• 设计目的：
  • 函数的目的是根据宏块的复杂度和剩余的比特资源，动态地为每个GOM分配目标比特数，以优化视频质量和编码效率。
• 关键功能：
  • 函数通过计算SAD值来评估宏块的复杂度，并据此分配比特数，实现码率控制。

3. 源码：

void RcGomTargetBits (sWelsEncCtx* pEncCtx, SSlice* pSlice) {
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc        = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc_Base   = NULL;
  SRCSlicing* pSOverRc          = &pSlice->sSlicingOverRc;

  int32_t iAllocateBits = 0;
  int32_t iSumSad = 0;
  int32_t iLastGomIndex = 0;
  int32_t iLeftBits = 0;
  const int32_t kiComplexityIndex = pSOverRc->iComplexityIndexSlice;
  int32_t i;

  iLastGomIndex  = pSOverRc->iEndMbSlice / pWelsSvcRc->iNumberMbGom;
  iLeftBits = pSOverRc->iTargetBitsSlice - pSOverRc->iFrameBitsSlice;
  if (iLeftBits <= 0) {
    pSOverRc->iGomTargetBits = 0;
    return;
  } else if (kiComplexityIndex >= iLastGomIndex) {
    iAllocateBits = iLeftBits;
  } else {
    pWelsSvcRc_Base = RcJudgeBaseUsability (pEncCtx);
    pWelsSvcRc_Base = (pWelsSvcRc_Base) ? pWelsSvcRc_Base : pWelsSvcRc;
    for (i = kiComplexityIndex + 1; i <= iLastGomIndex; i++) {
      iSumSad += pWelsSvcRc_Base->pCurrentFrameGomSad[i];
    }

    if (0 == iSumSad)
      iAllocateBits = WELS_DIV_ROUND (iLeftBits, (iLastGomIndex - kiComplexityIndex));
    else
      iAllocateBits = WELS_DIV_ROUND ((int64_t)iLeftBits * pWelsSvcRc_Base->pCurrentFrameGomSad[kiComplexityIndex + 1],
                                      iSumSad);
  }
  pSOverRc->iGomTargetBits = iAllocateBits;
}

RcCalculateMbQp函数

1. 功能：作用是在视频编码过程中为当前宏块（Macroblock, MB）计算量化参数（Quantization Parameter, QP）
2. 原理过程：

• 函数参数：
  • pEncCtx: 指向编码上下文的指针，包含编码过程中所需的全局信息。
  • pSlice: 指向当前切片的指针。
  • pCurMb: 指向当前宏块的指针。
• 局部变量：
  • pWelsSvcRc: 指向服务层码率控制结构的指针。
  • pSOverRc: 指向切片覆盖码率控制结构的指针。
  • iLumaQp: 存储计算得到的亮度QP值。
  • pCurLayer: 指向当前解码质量层的指针。
  • kuiChromaQpIndexOffset: 色度QP索引偏移量。
• 主要逻辑：
  • 从切片覆盖码率控制结构中获取iCalculatedQpSlice计算得到的亮度QP值 iLumaQp。
  • 如果启用了自适应量化（bEnableAdaptiveQuant），则根据宏块的运动和纹理信息调整QP值。
• 自适应量化：
  • 如果启用自适应量化，使用 pMotionTextureIndexToDeltaQp 数组，根据宏块的位置 MbXY 来获取QP调整值，并将其加到基础QP值iLumaQp上。
  • 调整后的QP值通过 WELS_CLIP3 宏确保在允许的范围内。
• 色度QP计算：
  • 使用色度QP表 g_kuiChromaQpTable 和色度QP索引偏移量 kuiChromaQpIndexOffset 来计算色度QP值。
  • 色度QP值通过 CLIP3_QP_0_51 宏确保在0到51的范围内。
• 宏块QP赋值：
  • 将计算得到的亮度QP和色度QP值赋给当前宏块 pCurMb。

3. 源码：

void RcCalculateMbQp (sWelsEncCtx* pEncCtx, SSlice* pSlice, SMB* pCurMb) {
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc        = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SRCSlicing* pSOverRc          = &pSlice->sSlicingOverRc;

  int32_t iLumaQp               = pSOverRc->iCalculatedQpSlice;
  SDqLayer* pCurLayer           = pEncCtx->pCurDqLayer;
  const uint8_t kuiChromaQpIndexOffset = pCurLayer->sLayerInfo.pPpsP->uiChromaQpIndexOffset;
  if (pEncCtx->pSvcParam->bEnableAdaptiveQuant) {
    iLumaQp   = (int8_t)WELS_CLIP3 (iLumaQp +
                                    pEncCtx->pVaa->sAdaptiveQuantParam.pMotionTextureIndexToDeltaQp[pCurMb->iMbXY], pWelsSvcRc->iMinFrameQp,
                                    pWelsSvcRc->iMaxFrameQp);
  }
  pCurMb->uiChromaQp    = g_kuiChromaQpTable[CLIP3_QP_0_51 (iLumaQp + kuiChromaQpIndexOffset)];
  pCurMb->uiLumaQp      = iLumaQp;
}

WelsRcMbInfoUpdateGom函数

1. 功能：通过收集和更新宏块的编码信息来帮助编码器动态调整编码参数，以优化视频质量和编码效率。
2. 原理过程：

• 函数参数：
  • pEncCtx: 指向编码上下文的指针，包含编码过程中所需的全局信息。
  • pCurMb: 指向当前宏块的指针。
  • iCostLuma: 当前宏块的亮度成本，用于码率控制。
  • pSlice: 指向当前切片的指针。
• 局部变量：
  • pWelsSvcRc: 指向服务层码率控制结构的指针。
  • pSOverRc: 指向切片覆盖码率控制结构的指针。
  • kiComplexityIndex: 复杂度指数，用于码率控制策略。
• 主要逻辑：
  • 计算当前宏块的比特数iCurMbBits，即从切片开始到当前宏块的比特流位置差。
  • 更新切片的总比特数iFrameBitsSlice和GOM（Group of Macroblocks）的总比特数iGomBitsSlice。
• 码率控制相关操作：
  • 累加当前宏块的亮度成本iCostLuma到对应复杂度指数的成本数组pGomCost中。
  • 如果当前宏块的比特数大于0，更新切片的总QP（量化参数）和宏块计数器。
• 设计目的：
  • 该函数的目的是在编码过程中收集和更新宏块的相关信息，以便进行有效的码率控制。
• 关键功能：
  • 函数通过更新宏块的比特数和亮度成本，为后续的码率控制决策提供数据支持。

3. 源码：

void WelsRcMbInfoUpdateGom (sWelsEncCtx* pEncCtx, SMB* pCurMb, int32_t iCostLuma, SSlice* pSlice) {
  SWelsSvcRc* pWelsSvcRc            = &pEncCtx->pWelsSvcRc[pEncCtx->uiDependencyId];
  SRCSlicing* pSOverRc              = &pSlice->sSlicingOverRc;
  const int32_t kiComplexityIndex   = pSOverRc->iComplexityIndexSlice;

  int32_t iCurMbBits = pEncCtx->pFuncList->pfGetBsPosition (pSlice) - pSOverRc->iBsPosSlice;
  pSOverRc->iFrameBitsSlice += iCurMbBits;
  pSOverRc->iGomBitsSlice += iCurMbBits;

  pWelsSvcRc->pGomCost[kiComplexityIndex] += iCostLuma;
  if (iCurMbBits > 0) {
    pSOverRc->iTotalQpSlice += pCurMb->uiLumaQp;
    pSOverRc->iTotalMbSlice++;
  }
}