VVC码率控制改进-CFANZ编程社区

本文来自提案JVET-Y0105 《An improved VVC rate control scheme》，提案对VVC的码率控制做了一些改进，主要包括三部分，第一，CTU级的skip和非skip块码率分配。第二，基于GOP size和IntraPeriod设置滑动窗口。第三，将QDF扩展到低帧率情况。

简介

CTU级码率分配

当前的CTU级码率分配方式中，每个CTU的初始权重由帧级lambda和内容相关的因子alpha和beta决定，

$\Omega _{i} =(\frac{\lambda _{frame} }{\alpha _{i} } )^{\frac{1}{\beta _{i} } }$

$\lambda _{frame}=\alpha \ast bpp^{\beta }$

默认的RD模型无法精准描述skip块的特征，因此提案对skip和非skip块单独处理，首先，skip CTU的码率计算如下，

$bits_{skip}=scale\ast bpp\times P_{skip}$

其中scale是经验因子，设为0.4，P_skip是skip CTU的像素数量。则非skip CTU的码率分配问题就变为以下约束优化问题，

$minJ=\sum_{i=1}^{N_{non-skip}}D_{i}\ s.t.\sum_{i=1}^{N_{non-skip}}R_{i}\le T_{frame}-T_{skip}$

转换为非约束优化问题，

$minJ=\sum_{i=1}^{N_{non-skip}}D_{i}+\lambda_{non-skip}(\sum_{i=1}^{N_{non-skip}}R_{i}-(T_{frame}-T_{skip}))$

其中

$\lambda _{non-skip}$

可以使用牛顿法求参数以使non-skip CTU分配的码率最优，

$bits_{i}=(T_{frame}-T_{skip})\ast \frac{\Omega _{i}}{ {\textstyle \sum_{j=1}^{N_{non-skip}}\Omega _{j}} }$

$\Omega _{i}=(\frac{\lambda _{non-skip}}{\alpha _{i}} )^{\frac{1}{\beta _{i}} }$

牛顿法最大迭代次数设为20，可以根据下面条件提前终止，

$\left | \lambda _{i+1}^{non-skip} - \lambda _{i}^{non-skip}\right | < 0.001$

滑动窗口设置

在GOP级码率分配中，滑动窗口SW用于使码率变化更平滑。SW会影响GOP级和帧级码率，

$T_{AvgPic}=R_{PicAvg}+\frac{R_{PicAvg}\cdot N_{coded}-R_{coded}}{SW}$

$T_{GOP}=T_{AvgPic}\cdot N_{GOP}$

由于intra帧的影响，

$T_{AvgPic}$

经常会算出负数导致GOP级码率被截断为200比特。在HM中当SW设为40时，LD和RA配置的GOP size分别为4和8。在VTM中，LD和RA配置的GOP size分别为32和8，固定SW不适合当前配置和将来扩展，因为提案根据GOP size和IntraPeriod(IP)计算SW，

$SW=\alpha \ast GOP/max(32,IP)+\beta$

alpha和beta分别设为20和60。

QDF扩展到低帧率配置

在VTM中根据下列条件判断是否使用基于QDF的码控，

if (encRCSeq->getAdaptiveBits() > 0 && encRCSeq->getLastLambda() > 0.1)m_lastLambda = encRCSeq->getLastLambda()

m_lastLambda在GOP Size=IntraPeriod配置（低帧率）下不会更新。

为了将QDF扩展到低帧率，上述条件修改为，

m_encRCSeq->getAdaptiveBits() > 0 && m_listRCPictures.size() >= m_encRCSeq->getGOPSize()

实验结果

实验平台为VTM14.0，提案方法在LDB和RA配置下YUV的BD-Rate分别为-0.65%/-0.65%/-0.51%和 -1.38%/-1.59%/-1.63%，如表1，

VVC码率控制改进_码率_14

提案的CTU级码率分配方法的结果如表2，

VVC码率控制改进_码率_15

提案的SW设置方法结果如表3，

VVC码率控制改进_帧率_16

提案的CTU级码率分配方法和SW设置同时开启的结果如表4，

VVC码率控制改进_RC_17

表5是将QDF扩展到低帧率的结果，

VVC码率控制改进_帧率_18

表6是同时开启SW和QDF的结果，

VVC码率控制改进_RC_19

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