B帧对视频清晰度/码率的影响

0. 前言

在H264 Extended Profile中就引入了B帧编码，一直以来同行都对B帧的意义存在争议：

• 正方：B帧能够大幅减少视频码率，并提高运动场景下的清晰度；
• 反方：B帧对码率和清晰度没多大帮助

笔者针对这个争议找了一个视频，用x264和Android MediaCodec测试验证B帧到底有没有优化效果。

1. 什么是B帧

1.1 什么是B帧？

B帧法（B frame）是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。

1.2 B帧的优点

一般地，I帧压缩效率最低，P帧较高，B帧最高。

B帧能够提升运动场景清晰度。

PS:有些专家说对高速运动的场景收益是负向，但是本人没有验证过。

1.3 B帧的缺点

由于B帧参考了前后帧，带来更所以编码复杂度更高，也提高了解码复杂度。

2. B帧编码测试

2.1 软编码实验

2.1.1 测试方案

对同一个视频，通过ffmpeg/x264进行转码，在相同比特率等条件，选择开启/关闭B帧，对比PSNR。

2.1.2 测试视频

理论上B帧对运动场景编码，所以本次实验采用一个跳舞的视频，视频信息系如下：

Input #0, mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2, from ‘dance_test.mp4’:
Metadata:
major_brand : qt
minor_version : 0
compatible_brands: qt
creation_time : 2018-08-06 13:08:32
genre : aweme_6585043390285482760
Duration: 00:00:13.60, start: 0.000000, bitrate: 5375 kb/s
Stream #0:0(und): Video: h264 (Main) (avc1 / 0x31637661), yuv420p(tv, smpte170m/bt709/bt709), 540x960, 5244 kb/s, 30 fps, 30 tbr, 600 tbn, 1200 tbc (default)
Metadata:
creation_time : 2018-08-06 13:08:32
handler_name : Core Media Data Handler
encoder : H.264
Stream #0:1(und): Audio: aac (LC) (mp4a / 0x6134706D), 44100 Hz, stereo, fltp, 124 kb/s (default)
Metadata:
creation_time : 2018-08-06 13:08:32
handler_name : Core Media Data Handler

2.1.3 FFmpeg/x264命令

--bframes  (x264)
-bf  (FFmpeg)

B-frames are a core element of H.264 and are more efficient in H.264 than any previous standard. Some specific targets, such as HD-DVD and Blu-Ray, have limitations on the number of consecutive B-frames. Most, however, do not; as a result, there is rarely any negative effect to setting this to the maximum (16) since x264 will, if B-adapt is used, automatically choose the best number of B-frames anyways. This parameter simply serves to limit the max number of B-frames. Note that Baseline Profile, such as that used by iPods, does not support B-frames. Recommended default: 16

ffmpeg转码非B帧视频示例：

ffmpeg -i dance_test.mp4 -c:v libx264 -profile:v high -level:v 4.0 -r 30 -s 540x960 -b:v 1500k -g 200 -bf 0  -c:a copy -movflags faststart -y b0_1500.mp4

ffmpeg转码B帧视频示例：

ffmpeg -i dance_test.mp4 -c:v libx264 -profile:v high -level:v 4.0 -r 30 -s 540x960 -b:v 1500k -g 200 -bf 1 -c:a copy -movflags faststart -y b1_1500.mp4

2.1.4 评估方法
采用PSNR评估B帧对视频质量的提升，命令如下：

ffmpeg -video_size 540x960  -i dance_test.yuv -video_size 540x960  -i b0_1500.yuv -lavfi  psnr="stats_file=psnr.log" -f null -

2.1.5 测试结果

码率	B帧设置	PSNR
1500	是	PSNR y:30.96 u:43.46 v:42.37 average:32.55 min:31.15 max:38.65
1500	否	PSNR y:30.46 u:42.97 v:41.87 average:32.05 min:30.61 max:38.42
2000	是	PSNR y:32.76 u:44.56 v:43.49 average:34.33 min:32.64 max:40.77
2000	否	PSNR y:32.13 u:43.93 v:42.84 average:33.70 min:32.22 max:40.48

测试结论: B帧没有明显收益

2.2 Android硬编码实验

Android 平台设置 Profile参考我的另一篇笔记：Android MediaCodec H264编码设置Main Profile & High Profile

另外，Android平台只有高通芯片支持B帧编码，而且Android现有的API中没有开启B帧功能的接口，默认是关闭B帧的，只有小米和三星等少数平台开启了B帧编码。

2.2.1 测试方案

Android平台只有高通支持B帧，并且受限于Android系统，无法控制B帧是否开启，除非修改Android源代码。目前只有小米和三星两家的高通手机对高通支持比较好。

所以本人选取两台手机：

机型	Android	CPU	是否支持B帧
Mi 5s	7.0	骁龙821	是
Pixel	9.0	骁龙821	否

输入同一个视频，用硬编码进行转码，参数设置如下：

Bitrate: 3000Kb/s
Bitrate-Mode: VBR
Profile: High Profile
Frame-Rate: 30
Frame-Interval: 1

2.2.2 测试视频

同软编码实验。

2.2.3 评估方法

同软编码实验。

2.2.4 测试结果

机型	是否支持B帧	PSNR
mi5s	是	PSNR y:44.02 u:42.74 v:44.60 average:43.83 min:42.15 max:46.13
pixel	否	PSNR y:44.10 u:42.91 v:44.77 average:43.94 min:42.08 max:46.13

2.2.5 总结

很尴尬……硬编码测试的结果都说明B帧收益不大-_-!!

3. 结论

B帧不管是软编码还是硬编码都没什么收益。