[科普中国]-比特率-失真优化

比特率-失真优化，即率失真优化（Rate–distortion optimization，简称RDO）是一种提升视频压缩性能的最优化方法。其原理是对视频的有损（画面品质）与比特率（编码所需的数据量）同时进行最优化，以求达到一个最佳的平衡点。虽然此算法一开始是在视频压缩的编码器中被使用，但也可以用于各种多媒体编码包含视频、视频、音频等等，只要编码时会同时考虑到品质及文件大小皆可使用。

简介比特率-失真优化，即率失真优化（Rate–distortion optimization，简称RDO）是一种提升视频压缩性能的最优化方法。其原理是对视频的有损（画面品质）与比特率（编码所需的数据量）同时进行最优化，以求达到一个最佳的平衡点。虽然此算法一开始是在视频压缩的编码器中被使用，但也可以用于各种多媒体编码包含视频、视频、音频等等，只要编码时会同时考虑到品质及文件大小皆可使用。1

背景传统视频编码器在做编码决策时，是挑选出视频品质最好的画面。然而只考虑品质的缺点是，会让决策的结果有时相较于品质稍差的选择下，花费了更多数据量但只相对提升了一点点品质。一个常见的例子就是动作补偿，尤其是使用1/4像素精确度的时候。在动作补偿过程中，为宏块的动作向量增加额外的精确度可能可提升品质，但有些时候提升的品质，并不值得额外花费用来编码高精确度动作向量的数据量。1

运作原理率失真优化借由作为视频品质的衡量方法，解决了上述的问题。数据量会被用比特数乘上拉格朗日乘数来取代。拉格朗日乘数代表了在某种程度范围的视频品质下，比特的花费与视频品质之间的关系。以数学式表示：

其中J最终的衡量数据，也被称为RD cost（rate-distortion cost），D有损的衡量数据，：拉格朗日乘数，R：数据量的衡量数据

为了最大化峰值信噪比的视频画值衡量，有损部分通常使用均方差做计算。现行的视频压缩编解码器中，率失真优化需要将每一块视频画面的区块，经由熵编码器运算来衡量实际的比特花费，而此计算是复杂的。例如在MPEG的许多编解码器标准中，完整的计算流程包含了离散余弦变换、量化以及熵编码，需全部运算完才能得到实际的比特花费。因此率失真优化会较大部分其他区块比对的衡量方法来得慢，譬如绝对值差和（SAD）和转换后绝对值差和（SATD）。因此率失真优化通常只在动作补偿的最后一个步骤才会被使用，像是在H.264/AVC中最后需要对各种分区模式下决定的时候。1

支持的编码器AtemeH.264编码器

草谷ViBE编码器（SD & HD MPEG-2/MPEG-4）

Harmonic Electra 8000编码器（SD & HD MPEG-2/MPEG-4）

libavcodec

MainConceptH.264编码器

MicrosoftVC-1编码器

TANDBERG TelevisionSD MPEG-2 EN8100

TANDBERG TelevisionHD MPEG-4 EN8190

TANDBERG TelevisionSD & HD MPEG-4 iPlex

Theora1.1-alpha1 and later（the "Thusnelda" branch）

x264H.264编码器

XvidMPEG-4 ASP编码器

H.264/AVC标准引用软件JM（Joint Model）

H.265/HEVC标准引用软件HM（HEVC Test Model）2

参见视频质量

压缩比

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所