H.264视频数据组织结构-GOP图像组和组中3类不同的图像帧



H.264视频数据组织结构-GOP图像组和组中3类不同的图像帧  

前言

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H264是新一代的编码标准，以高压缩高质量和支持多种网络的流媒体传输著称，在编码方面，我理解的他的理论依据是：参照一段时间内图像的统计结果表明，在相邻几幅图像画面中，一般有差别的像素只有10%以内的点,亮度差值变化不超过2%，而色度差值的变化只有1%以内。所以对于一段变化不大图像画面，我们可以先编码出一个完整的图像帧X，随后的Y帧就不编码全部图像，只写入与X帧的差别，这样Y帧的大小就只有完整帧的1/10或更小！Y帧之后的Z帧如果变化不大，我们可以继续以参考Y的方式编码Z帧，这样循环下去。这段图像我们称为一个GOP图像组（GOP图像组就是有相同特点的一段数据），也就是对这个图像生成一个完整帧X1，随后的图像就参考X1生成，只写入与X1的差别内容。当某个图像与之前的图像变化很大，无法参考前面的帧来生成，那我们就结束上一个GOP图像组，开始下一段GOP图像组。

在H264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，还有一种参考前后的帧编码的帧叫B帧。

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。

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视频数据组织结构

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GOP图像组的说明

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在H264中图像以GOP图像组为单位进行组织，一个GOP图像组是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束。

一个序列的第一个图像叫做 IDR 图像（立即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。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。

一个序列就是一段内容差异不太大的图像编码后生成的一串数据流。当运动变化比较少时，一个序列可以很长，因为运动变化少就代表图像画面的内容变动很小，所以就可以编一个I帧，然后一直P帧、B帧了。当运动变化多时，可能一个序列就比较短了，比如就包含一个I帧和3、4个P帧。

 

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三种帧的说明

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I帧:

帧内编码帧，I帧表示关键帧，你可以理解为这一帧画面的完整保留；解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画面)，一个GOP中，I帧是编解码的起点，有效防止帧间预测误差累计扩散。

 

I帧特点:

1.它是一个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进行H.26L压缩编码及传输(效果全面超越JPEG，逼近甚至超过JPEG2000);

2.解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像;

3.I帧描述了图像背景和运动主体的详情;

4.I帧不需要参考其他画面而生成;

5.I帧是P帧和B帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量);

6.I帧是帧组GOP的基础帧(第一帧),在一组中只有一个I帧;

7.I帧不需要考虑运动矢量;

8.I帧所占数据的信息量比较大。

 

P帧:

前向预测编码帧，使用视频序列一个时间方向上的相关性进行压缩。P帧表示的是这一帧跟之前的帧的差别，P帧可以作为后续图像编码时的参考帧。解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。（也就是差别帧，P帧没有完整画面数据，只有与前一帧的画面差别的数据，因此解码要使用参考图像的像素值）。

 

P帧的预测与重构:

P帧是以I帧为参考帧,在I帧中找出P帧“某点”的预测值和运动矢量,取预测差值和运动矢量一起传送。在接收端根据运动矢量从I帧中找出P帧“某点”的预测值并与差值相加以得到P帧“某点”样值,从而可得到完整的P帧。

P帧特点:

1.P帧是I帧后面相隔1~2帧的编码帧;

2.P帧采用运动补偿的方法传送它与前面的I或P帧的差值及运动矢量(预测误差);

3.解码时必须将I帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的P帧图像;

4.P帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前面最靠近它的I帧或P帧;

5.P帧可以是其后面P帧的参考帧,也可以是其前后的B帧的参考帧;

6.由于P帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;

7.由于是差值传送,P帧的压缩比较高。

 

B帧:

双向预测内插编码帧，利用视频序列两个时间方向上的相关性进行压缩，由于B帧的编解码顺序打乱了视频图像的自然顺序，因此B帧不用作参考帧。B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别，换言之，要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时CPU会比较累。

 

B帧的预测与重构

B帧以前面的I或P帧和后面的P帧为参考帧,“找出”B帧“某点”的预测值和两个运动矢量,并取预测差值和运动矢量传送。接收端根据运动矢量在两个参考帧中“找出(算出)”预测值并与差值求和,得到B帧“某点”样值,从而可得到完整的B帧。

B帧特点

1.B帧是由前面的I或P帧和后面的P帧来进行预测的;

2.B帧传送的是它与前面的I或P帧和后面的P帧之间的预测误差及运动矢量;

3.B帧是双向预测编码帧;

4.B帧压缩比最高,因为它只反映丙参考帧间运动主体的变化情况,预测比较准确;

5.B帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散。

 

注:I、B、P各帧是根据压缩算法的需要，是人为定义的,它们都是实实在在的物理帧。一般来说，I帧的压缩率是7（跟JPG差不多），P帧是20，B帧可以达到50。可见使用B帧能节省大量空间，节省出来的空间可以用来保存多一些I帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质。