入门理解H264编码

 最近入门音视频技术，一直在学习H264编解码标准，了解了不少关于H264的相关知识，对于网上各种类型的资料，始终没有找到一篇适合的知识梳理资料。可能是查找方式不对，所以花费了比较多的时间。经过一段时间的熟悉后结合网上各类大神的指导资料和自己的理解决定自己整理一下关于H264编解码标准的知识。以后方便自己查阅，也让更多刚入门的人提供一个参考资料，由于是初次涉及，所以有些地方可能有理解不全面或有误，望各位前辈大神多多指导，不胜感激；

        主要的参考资料在已贴在后面，大家可以详细了解；

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0、序言

        首先要弄明白编码的目的，有目的的学习效率会更好。编码是为了将数据进行压缩，这样在传输的过程中就不会使资源被浪费，用一个简单的例子来说明编码的必要性：

        当你此刻显示器正在播放一个视频，分辨率是1280*720，帧率是25，那么一秒所产生正常的数据大小为：

         1280*720(位像素)*25(张) / 8(1字节8位)(结果:B) / 1024(结果:KB) / 1024 (结果:MB) =  2.75MB

        显然一秒这么大的数据你是无法接受的，所以如果不将数据进行压缩，那么只能一首凉凉表达此刻的感受了；

1、前言

    H264里面很多文章梳理，具体标准定义就不多赘述了，但是有些概念一定要弄明白，这样在后面我就是因为有些概念模糊所以在理解某些知识点十分吃力，例如序列、GOP等等，我会逐一在后面描述到。

    H264在视频采集到输出中属于编解码层次的数据，如图1所示，是在采集数据后做编码压缩时通过编码标准编码后所呈现的数据。

                                                   图1

2、H264相关概念

2.1序列

      H264编码标准中所遵循的理论依据个人理解成：参照一段时间内相邻的图像中，像素、亮度与色温的差别很小。所以当面对一段时间内图像我们没必要去对每一幅图像进行完整一帧的编码，而是可以选取这段时间的第一帧图像作为完整编码，而下一幅图像可以记录与第一帧完整编码图像像素、亮度与色温等的差别即可，以此类推循环下去。

       什么叫序列呢？上述的这段时间内图像变化不大的图像集我们就可以称之为一个序列。序列可以理解为有相同特点的一段数据。但是如果某个图像与之前的图像变换很大，很难参考之前的帧来生成新的帧，那么久结束删一个序列，开始下一段序列。重复上一序列的做法，生成新的一段序列。

2.2、帧类型

         H264结构中，一个视频图像编码后的数据叫做一帧，一帧由一个片（slice）或多个片组成，一个片由一个或多个宏块（MB）组成，一个宏块由16x16的yuv数据组成。宏块作为H264编码的基本单位。 

        在H264协议内定义了三种帧，分别是I帧、B帧与P帧。I帧就是之前所说的一个完整的图像帧，而B、帧与P帧所对应的就是之前说的不编码全部图像的帧。P帧与B帧的差别就是P帧是参考之前的I帧而生成的，而B帧是参考前后图像帧编码生成的。

2.3、GOP(画面组)

        GOP我个人也理解为跟序列差不多意思，就是一段时间内变化不大的图像集。GOP结构一般有两个数字，如M=3，N=12。M指定I帧和P帧之间的距离，N指定两个I帧之间的距离。上面的M=3，N=12，GOP结构为：IBBPBBPBBPBBI。在一个GOP内I frame解码不依赖任何的其它帧，p frame解码则依赖前面的I frame或P frame，B frame解码依赖前最近的一个I frame或P frame 及其后最近的一个P frame。

2.4、IDR帧(关键帧)

        在编码解码中为了方便，将GOP中首个I帧要和其他I帧区别开，把第一个I帧叫IDR，这样方便控制编码和解码流程，所以IDR帧一定是I帧，但I帧不一定是IDR帧；IDR帧的作用是立刻刷新,使错误不致传播,从IDR帧开始算新的序列开始编码。I帧有被跨帧参考的可能,IDR不会。

I帧不用参考任何帧，但是之后的P帧和B帧是有可能参考这个I帧之前的帧的。IDR就不允许这样，例如：

IDR1 P4 B2 B3   P7   B5 B6   I10   B8   B9 P13 B11 B12 P16 B14 B15   这里的B8可以跨过I10去参考P7

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IDR1 P4 B2 B3 P7 B5 B6   IDR8   P11   B9   B10 P14 B11 B12             这里的B9就只能参照IDR8和P11，不可以参考IDR8前面的帧

作用：

H.264引入 IDR 图像是为了解码的重同步，当解码器解码到 IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。这样，如果前一个序列出现重大错误，在这里可以获得重新同步的机会。IDR图像之后的图像永远不会使用IDR之前的图像的数据来解码。

3、H264压缩方式

       H264采用的核心算法是帧内压缩和帧间压缩，帧内压缩是生成I帧的算法，帧间压缩是生成B帧和P帧的算法。

       帧内（Intraframe）压缩也称为空间压缩（Spatialcompression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩是编码一个完整的图像，所以可以独立的解码、显示。帧内压缩一般达不到很高的压缩，跟编码jpeg差不多。

       帧间（Interframe）压缩的原理是：相邻几帧的数据有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩（Temporalcompression），它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值（Framedifferencing）算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。

3.1、压缩方式说明

Step1：分组，也就是将一系列变换不大的图像归为一个组，也就是一个序列，也可以叫GOP（画面组）；

Step2：定义帧，将每组的图像帧归分为I帧、P帧和B帧三种类型；

Step3：预测帧， 以I帧做为基础帧,以I帧预测P帧,再由I帧和P帧预测B帧;

Step4：数据传输， 最后将I帧数据与预测的差值信息进行存储和传输。

4、H264分层结构

        H264的主要目标是为了有高的视频压缩比和良好的网络亲和性，为了达成这两个目标，H264的解决方案是将系统框架分为两个层面，分别是视频编码层面（VCL）和网络抽象层面（NAL），如图2；

                            图2

VLC层是对核心算法引擎、块、宏块及片的语法级别的定义，负责有效表示视频数据的内容，最终输出编码完的数据SODB；

        NAL层定义了片级以上的语法级别（如序列参数集参数集和图像参数集，针对网络传输，后面会描述到），负责以网络所要求的恰当方式去格式化数据并提供头信息，以保证数据适合各种信道和存储介质上的传输。NAL层将SODB打包成RBSP然后加上NAL头组成一个NALU单元，具体NAL单元的组成也会在后面详细描述。

        这里说一下SODB与RBSP的关联，具体结构如图3所示：

        SODB: 数据比特串，是编码后的原始数据；

        RBSP: 原始字节序列载荷，是在原始编码数据后面添加了结尾比特，一个bit“1”和若干个比特“0”，用于字节对齐。

                                                图3

5.H264码流结构

        我认为在具体讲述NAL单元前，十分有必要先了解一下H264的码流结构；在经过编码后的H264的码流如图4所示， 从图中我们需要得到一个概念，H264码流是由一个个的NAL单元组成，其中SPS、PPS、IDR和SLICE是NAL单元某一类型的数据。

                                        图4

6、H264的NAL单元

6.1、H264的NAL结构

        在实际的网络数据传输过程中H264的数据结构是以NALU（NAL单元）进行传输的，传输数据结构组成为[NALU Header]+[RBSP]，如图5所示：

                                                                                       图5

        从之前的分析我们可以知道，VCL层编码后的视频帧数据，帧有可能是I/B/P帧，这些帧也可能是属于不同的序列之中；同一序列也还有相应的序列参数集与图片参数集；综上所述，想要完成准确无误视频的解码，除了需要VCL层编码出来的视频帧数据，同时还需要传输序列参数集和图像参数集等等，所以RBSP不单纯只保存I/B/P帧的数据编码信息，还有其他信息也可能出现在里面。

        上面知道NAL单元是作为实际视频数据传输的基本单元，NALU头是用来标识后面RBSP是什么类型的数据，同时记录RBSP数据是否会被其他帧参考以及网络传输是否有错误，所以针对NAL头和RBSP的作用以及结构与所承载的数据需要做个简单的了解；

6.2、NAL头

一、 NAL头的组成

NAL单元的头部是由forbidden_bit(1bit)，nal_reference_bit(2bits)（优先级），nal_unit_type(5bits)（类型）三个部分组成的，组成如图6所示：

1、F(forbiden):禁止位，占用NAL头的第一个位，当禁止位值为1时表示语法错误；

2、NRI:参考级别，占用NAL头的第二到第三个位；值越大，该NAL越重要。

3、Type:Nal单元数据类型，也就是标识该NAL单元的数据类型是哪种，占用NAL头的第四到第8个位；

                                                             图6

二、 NAL单元数据类型

    NAL类型主要就是下面图7中这些类型每个类型都有特殊的作用；

   

                                                 图 7                                                                                       

                                    图 8

        在具体介绍NAL数据类型前，有必要知道 NAL分为VCL和非VCL的NAL单元。在图8中有介绍（图表中DIR应该为IDR），其中SPS、SEI、PPS等非VCL的NAL参数对解码和显示视频都是很有用的。

        而另外一个需要了解的概念就是 参数集（Parameter sets），参数集是携带解码参数的NAL单元，参数集对于正确解码是非常重要的，在一个有损耗的传输场景中，传输过程中比特列或包可能丢失或损坏，在这种网络环境下，参数集可以通过高质量的服务来发送，比如向前纠错机制或优先级机制。Parameter sets与其之外的句法元素之间的关系如图9所示：

                                                        图 9

每种类型都有代表一种数据类型，比较重要的以下几种做个简单的介绍：

1、非VCL的NAL数据类型：

1）、SPS（序列参数集）：SPS对如标识符、帧数以及参考帧数目、解码图像尺寸和帧场模式等 解码参数进行标识记录。

2）、PPS（图像参数集）：PPS对如熵编码类型、有效参考图像的数目和初始化等解码参数进行标志记录。

3）、SEI(补充增强信息)：这部分参数可作为H264的比特流数据而被传输，每一个SEI信息被封装成一个NAL单元。SEI对于解码器来说可能是有用的，但是对于基本的解码过程来说，并不是必须的。

@：先标记一下，SPS、PPS内容是编码器给的。（出处的话，慢慢研究）

2、VCL的NAL数据类型

1）、 头信息块，包括宏块类型，量化参数，运动矢量。这些信息是最重要的，因为离开他们，被的数据块种的码元都无法使用。该数据分块称为A类数据分块。

2）、 帧内编码信息数据块，称为B类数据分块。它包含帧内编码宏块类型，帧内编码系数。对应的slice来说，B类数据分块的可用性依赖于A类数据分块。和帧间编码信息数据块不通的是，帧内编码信息能防止进一步的偏差，因此比帧间编码信息更重要。

3）、 帧间编码信息数据块，称为C类数据分块。它包含帧间编码宏块类型，帧间编码系数。它通常是slice种最大的一部分。帧间编码信息数据块是不重要的一部分。它所包含的信息并不提供编解码器之间的同步。C类数据分块的可用性也依赖于A类数据分块，但于B类数据分块无关。

以上三种数据块每种分割被单独的存放在一个NAL单元中，因此可以被单独传输。

6.3、 H264的 NAL单元 与片，宏之间的联系

        其实到这里可能就比较难理解了，为什么数据NAL单元中有这么多数据类型，这个SLICE又是什么东西，为什么不直接是编码后出来的 原始字节序列载荷，所以 我觉得在这里再讲述帧所细分的一些片和宏的概念应该是比较合适的，也是能够参照上下文更能理解这些概念的位置，又能给这些困惑做一个合理一点的解释，所以在此做一个描述：

1帧（一幅图像） = 1~N个片（slice）  //也可以说1到多个片为一个片组

1个片 = 1~N个宏块（Marcroblock）

1个宏块 = 16X16的YUV数据（原始视频采集数据）

从数据层次角度来说，一幅原始的图片可以算作广义上的一帧，帧包含片组和片，片组由片来组成，片由宏块来组成，每个宏块可以是4*4、8*8、16*16像素规模的大小，它们之间的联系如图10所示。每个片都是一个独立的编码单位。

                                                图10

从容纳数据角度来说，NAL单元除了容纳Slice编码的码流外，还可以容纳其他数据，这也就是为什么有SPS、PPS等这些数据出现的原因，并且这些数据在传输H264码流的过程中起到不可或缺的作用，具体作用上面也是有讲到的。

那么也就可以对下面这些概念做一个大小的排序了：

                序列>图像>片>宏>像素（当然还有片组、亚宏块等等这些概念，初步了解就不了解这么深了，后面再慢慢研究）

同时有几点需要说明一下，这样能便于理解NAL单元：

（1）、如果 不采用 FMO（灵活宏块排序）  机制，则 一 幅图像只有一个片组 ；

（2）、如果 不使用多个片，则一个片组只有一个片；

（3）、如果 不采用  DP（ 数据分割 ）机制，则 一 个片就是一个 NALU，一个 NALU 也就是一个片 。

   否则，一个片的组成需要由 三个 NALU 组成，也就是上面说到的A、B、C类数据块。

这时候在看下面这幅码流数据分层图11就比较能理解整体的码流结构组成了；

                                                       图11

    如我们所见，每个分片也包含着头和数据两部分，分片头中包含着分片类型、分片中的宏块类型、分片帧的数量以及对应的帧的设置和参数等信息，而分片数据中则是宏块，这里就是我们要找的存储像素数据的地方；宏块是视频信息的主要承载者，因为它包含着每一个像素的亮度和色度信息。视频解码最主要的工作则是提供高效的方式从码流中获得宏块中的像素阵列。宏块数据的组成如下图12所示：

                                    图12

    从上图中，可以看到，宏块中包含了宏块类型、预测类型、Coded Block Pattern、Quantization Parameter、像素的亮度和色度数据集等等信息。

至此，我们对 H.264 的码流数据结构应该有了一个大致的了解。

需要注意的几点：

H.264/AVC标准对送到解码器的NAL单元顺序是有严格要求的，如果NAL单元的顺序是混乱的，必须将其重新依照规范组织后送入解码器，否则解码器不能够正确解码。

1.序列参数集NAL单元 必须在传送所有以此参数集为参考的其他NAL单元之前传送，不过允许这些NAL单元中间出现重复的序列参数集NAL单元。所谓重复的详细解释为：序列参数集NAL单元都有其专门的标识，如果两个序列参数集NAL单元的标识相同，就可以认为后一个只不过是前一个的拷贝，而非新的序列参数集。

2.图像参数集NAL单元 必须在所有以此参数集为参考的其他NAL单元之前传送，不过允许这些NAL单元中间出现重复的图像参数集NAL单元，这一点与上述的序列参数集NAL单元是相同

总结：

        暂时就整理这么多，可能有些描述不准确、不合理或有误的地方，希望各位前辈多多指正，我会尽量完善，至于有些不够详尽的地方会在后面找时间填补上去；本篇只是结合我个人的理解习惯做的归纳整理，下面这些学习资料也在一些概念上更加详尽，想要更加深入的了解以上某些具体概念的，不妨点进去学习；

参考资料：

H264 编码简介： https://blog.csdn.net/mydear_11000/article/details/49990637

NAL单元的各种类型介绍：https://blog.csdn.net/yu_yuan_1314/article/details/8984247

h264： http://www.mamicode.com/info-detail-1106464.html

从零了解H264结构： http://www.iosxxx.com/blog/2017-08-09-从零了解H264结构.html