【音视频 | H.264】H.264视频编码及NALU详解

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本文内容：介绍H.264视频编码
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一、概述

H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）提出的高度压缩数字视频编解码器标准。这个标准通常被称之为H.264/AVC（或AVC/H.264，或H.264/MPEG-4 AVC，或MPEG-4/H.264 AVC）。

✨1.1 为什么需要对视频进行编码？

因为视频数据太大，一帧YUV420图像的大小为：width * height * 3 / 2 ，假设分辨率是1920x1080的，则一帧视频数据就是1920 * 1080 * 3/2 = 3,110,400。一个小时的1920x1080@30的视频数据就是：（1920 * 1080 * 3 / 2）* 30 * 60 * 60 = 335,923,200,000字节，约等于312G字节。这显然不利于存储和传输。

✨1.2 视频编码本质

视频编码本质就是去除冗余信息。视频中存在很多冗余信息，比如图像相邻像素之间有较强的相关性，视频序列的相邻图像之间内容相似，人的视觉系统对某些细节不敏感等，对这部分冗余信息进行处理的过程就是视频编码。

✨1.3 视频压缩

H.264 采用了16 * 16的分块大小对视频帧图像进行相似比较和压缩编码。如下图所示：

帧内压缩

帧内压缩，指的是一帧图片的内部压缩。当H.264对图片进行 16 * 16 分块后，会对每个小块内的图像进行分析，如果2个小块图像比较相近，那么住需要存储一张即可，无需存储重复图块。这样可以有效压缩图片的存储大小。

帧内压缩是生成I帧的算法 。

帧内（Intraframe）压缩的原理是：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，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。帧内压缩率一般不高。

帧间压缩

帧间压缩 ， 指的是图片间的图像压缩。在每帧图片划分成16 * 16 小块的图像进行分析基础上，比图片间的数据，如果两张图片比较相近，对相同的图像模块只需存储一份，对不同的部分再做存储。避免了重复数据的存储，极大改善了图片压缩空间。

帧间压缩是生成B帧和P帧的算法 。

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。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。帧间压缩是无损的，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。

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二、H.264相关概念

H.264 的功能分为两层，即视频编码层（ VCL， Video Coding Layer）和网络提取层（ NAL， Network Abstraction Layer）。 VCL 数据即编码处理的输出，它表示被压缩编码后的视频数据序列。在 VCL 数据传输或存储之前，这些编码的 VCL 数据，先被映射或封装进 NAL 单元中。

本节介绍的概念大部分都是视频编码层（ VCL， Video Coding Layer）的。

在H.264 中，句法元素共被组织成 序列(GOP，Group of picture)、图像(picture)、片(Slice)、宏块(Macroblock)、子块(subblock) 五个层次。

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✨2.1 序列(GOP，Group of picture)

序列，有时也被称为画面组( Group Of Picture )，在H264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一组图像编码后的数据流。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(I 帧不一定是IDR图像)。

GOP（图像组）常用作形容一个IDR帧 到下一个IDR帧之间的间隔了多少个帧。 例如：1080P@60 的视频的GOP是120的话，说明这段数据是2秒一个IDR帧。

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✨2.2 图像(I帧、P帧、B帧)

一个序列由连续的图像(帧)组成。在H.264的协议中，定义了三类帧，分别是I帧、B帧和P帧。

• I帧：完整编码的帧叫I帧，是一个图像经过压缩后的产物，自身可以通过视频解压算法解压成一张单独的完整的图片;

  注意：I帧又分为普通I帧和IDR帧，IDR帧可以认为是序列的首个I帧（但是很多场景I帧都是IDR帧），这样区分视为了方便控制编码和解码的流程。 IDR帧一定是I帧，但是I帧不一定是IDR帧。

  IDR帧因为附带SPS、PPS等信息，解码器在收到 IDR 帧时，需要做的工作就是：把所有的 PPS 和 SPS 参数进行更新。 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错误，在这里可以获得重新同步的机会。IDR帧之后的帧永远不会使用IDR帧之前的数据来解码。

• P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， 需要参考其前面的一个I 帧或者P 帧来生成一张完整的图片 ;

• B帧：参考前后的帧编码的帧叫B帧 ， 要参考其前一个I或者P帧及其后面的一个P帧来生成一张完整的图片 。

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✨2.3 片(Slice)

一个视频图像可编码成一个或更多个片，每片包含整数个宏块（ MB，Macroblock），即每片至少一个宏块 ，最多时每片包含整个图像的宏块。总之，一幅图像中每片的宏块数不一定固定。

设片的目的是为了限制误码的扩散和传输，应使编码片相互间是独立的。某片的预测不能以其它片中的宏块为参考图像，这样某一片中的预测误差才不会传播到其它片中去。

对于切片（slice）来讲，分为以下几种类型：

• I片：只包 I宏块。I 宏块利用从当前片中已解码的像素作为参考进行帧内预测(不能取其它片中的已解码像素作为参考进行帧内预测)；

• P片：可包 P和I宏块。P 宏块利用前面已编码图象作为参考图象进行帧内预测，一个帧内编码的宏块可进一步作宏块的分割:即 16×16、16×8、8×16 或 8×8 亮度像素块(以及附带的彩色像素);如果选了 8×8 的子宏块，则可再分成各种子宏块的分割，其尺寸为 8×8、8×4、4×8 或 4×4 亮度像素块(以及附带的彩色像素)；

• B片：可包 B和I宏块。B 宏块则利用双向的参考图象(当前和未来的已编码图象帧)进行帧内预测；

• SP片(切换P)：用于不同编码流之间的切换，包含 P 和/或 I 宏块；

• SI片：扩展档次中必须具有的切换，它包 了一种特殊类型的编码宏块，叫做 SI 宏块，SI 也是扩展档次中的必备功能。

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✨2.4 宏块(Macroblock)

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。

一个编码图像通常划分成若干宏块组成，一个宏块由一个 16×16 亮度像素和附加的一个 8×8 Cb 和一个 8×8 Cr 彩色像素块组成。每个图像中，若干宏块被排列成片的形式。

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✨2.5 子宏块(subblock)

子宏块就是宏块分割之后的结果。每个宏块（ 16×16 像素）可以 4 种方式分割：一个 16×16，两个 16×8，两个 8×16，四个 8×8。其运动补偿也相应有四种。而 8×8 模式的每个子宏块还可以四种方式分割：一个 8×8，两个 4×8 或两个 8×4 及 4 个 4×4。这些分割和子宏块大大提高了各宏块之间的关联性。这种分割下的运动补偿则称为树状结构运动补偿。

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三、网络提取层(NAL，Network Abstraction Layer)——解码必读

无论是存储还是网络传输，H264 原始码流是由一个接一个 NALU（NAL Unit） 组成，它的功能分为两层，VCL（Video Coding Layer）视频编码层和 NAL（Network Abstraction Layer）网络提取层。

VCL：包括核心压缩引擎和块、宏块和片的语法级别定义，设计目标是尽可能地独立于网络进行高效的编码；
NAL：负责将 VCL 产生的比特字符串适配到各种各样的网络和多元环境中，覆盖了所有片级以上的语法级别；

✨3.1 H.264原始码流

H.264原始码流(裸流)是由一个接一个NALU组成， 每个NALU之间都使用start code（起始码）分隔，NALU单元通常由[StartCode] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分组成，其中 Start Code 用于标示这是一个NALU 单元的开始，必须是00 00 00 01 或00 00 01。每个 NALU包括一个头部信息（NAL header）和一个原始字节序列负荷（RBSP，Raw Byte Sequence Payload）。

关于 start code（起始码）：

为了节省码流， H.264 没有另外在 NAL 的头部设立表示起始的句法元素 。 但是如果编码数据时，由于 NAL 是依次紧密排列，解码器将无法在数据流中分辨每个 NAL的起始和终止，所以必须要有另外的机制来解决这个问题 。

所以，H.264 提出方案，在存储或传输时，在每个NALU前加上00 00 00 01 或00 00 01，同时提出”防止竞争“的机制(感兴趣可以去h264文档了解)，来避免 NALU 内部出现了00 00 00 01 或00 00 01的情况。

什么时候使用00 00 00 01 ，什么时候使用 00 00 01 ？一个说法是为了4字节对齐， 4字节类型的开始码通常只用于标识流中的随机访问点，如SPS PPS AUD和IDR，然后其他地方都用3字节类型的开始码以减少数据量 。另一个说法是， 一个完整的帧被编为多个slice（片）的时候StartCode是 00 00 01， 否则都是00 00 00 01 。

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✨3.2 NALU(NAL Unit)

NALU(NAL Unit)，也就是NAL 单元。每个NALU包含了一个字节大小的NALU头信息(NAL header)，以及一个原始字节序列负荷(RBSP，Raw Byte Sequence Payload)。下图展示了多个NALU排列：

接下来看下面这个NALU示意图：

注意：

• 从上图我们可以知道，一张图片可以有多个NALU；
• 对解码器来说，需要先收到SPS和PPS进行初始化，否则解码器无法解出正常的帧数据。
• 发I帧之前，至少要发送一次SPS和PPS，因此如果在实际应用中遇到H264无法解码的时候，检查SPS和PPS是否有接收到并正常初始化。

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3.2.1 NAL头信息(NAL header)

• forbidden_zero_bit (F，占1bit)
  在 H.264 规范中规定了这⼀位必须为 0 。

• nal_ref_idc (NRI，占2bit)
  NAL重要性，值越大，越重要，解码器在解码处理不过来的时候，可以丢掉重要性为0的NALU，而不影响图像的回放 。 如果当前NALU是属于参考帧的片，或是序列参数集，或是图像参数集这些重要的单位时，本句法元素必需大于0。

• nal_unit_type(Type，占5bit)：

  这个NALU单元的类型，1～12由H.264使用，24～31由H.264以外的应用使用。

  NALU类型的详细解析表 ：

  nal_unit_type	NAL单元和RBSP语法结构的内容
  0	未指定
  1	一个非 IDR 图像的编码条带(p帧/b帧)
  2	编码条带数据分割块 A
  3	编码条带数据分割块 B
  4	编码条带数据分割块 C
  5	IDR 图像的编码条带(IDR帧)
  6	辅助增强信息 (SEI)
  7	序列参数集
  8	图像参数集
  9	访问单元分隔符
  10	序列结尾
  11	流结尾
  12	填充数据
  13	序列参数集扩展
  14-18	保留
  19	未分割的辅助编码图像的编码条带
  20-23	保留
  24-31	未指定

  下表是常见的NALU类型：

  十六进制、二进制	类型	重要性	类型值
  0x67 (0 11 00111)	SPS	非常重要	type = 7
  0x68 (0 11 01000)	PPS	非常重要	type = 8
  0x65 (0 11 00101)	IDR帧	关键帧 非常重要	type = 5
  0x61 (0 11 00001)	I帧	非常重要	type=1非IDR的I帧不大常见
  0x41 (0 10 00001)	P帧	重要	type = 1
  0x01 (0 00 00001)	B帧	不重要	type = 1
  0x06 (0 00 00110)	SEI	不重要	type = 6

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3.2.2 原始字节序列负荷(RBSP，Raw Byte Sequence Payload)

RBSP 指原始字节序列载荷，它是 NAL 单元的数据部分的封装格式，封装的数据来自 SODB（String Of Data Bits，原始数据比特流），SODB 是编码后的原始数据， SODB 经封装为 RBSP 后放入 NAL 的数据部分 。最后，加上 RBSP Trailing Bits（RBSP尾部补齐字节，一个 bit 1 若干比特 0）做8位字节补齐。

• EBSP为扩展字节序列载荷（Encapsulated Byte Sequence Payload）

EBSP = RBSP插入防竞争字节（0x03）

• RBSP为原始字节序列载荷（Raw Byte Sequence Payload）

RBSP = SODB + RBSP Trailing Bits（RBSP尾部补齐字节）;引入RBSP Trailing Bits做8位字节补齐

• SODB为原始数据比特流 （String Of Data Bits）

就是最原始的编码/压缩得到的数据。

NAL头信息的类型决定了RBSP是一个什么数据，下面是一些常见的类型及其解析：

• SPS：全称Sequence Paramater Set，翻译为序列参数集。SPS中保存了一组编码视频序列(Coded Video Sequence)的全局参数。因此该类型保存的是和编码序列相关的参数。
• PPS：全称Picture Paramater Set，翻译为图像参数集。对应的是一个序列中某一幅图像或者某几幅图像的参数。
• I帧：帧内编码帧，可独立解码生成完整的图片。
• P帧：前向预测编码帧，需要参考其前面的一个I 或者B 来生成一张完整的图片。
• B帧：双向预测内插编码帧，则要参考其前面个I或者P帧及其后面的一个P帧来生成一张完整的图片。
• SEI：英文全称Supplemental Enhancement Information，翻译为“补充增强信息”，提供了向视频码流中加入额外信息的方法。
• AU分隔：AU全称Access Unit，它是一个或者多个NALU的集合，代表了一个完整的帧。一帧数据可能分成几个NALU，AU分隔表示一帧数据的结束。

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四、总结

本文介绍H.264编码的基础概念：序列、图像、片、宏块、子块。然后介绍H.264的NAL层，可以了解H.264码流是由一个个NALU组成，每个NALU又是由00 00 00 01或00 00 01来分隔开，NALU都有一个NAL头和一个RBSP。

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参考资料：
H264码流分析和打包RTP过程
H264编码原理及NALU介绍
深入浅出理解视频编码H264结构（内涵福利）
H264编码基础概念+格式分析
H264 编解码协议详解
《新一代视频压缩编码标准H.264/AVC》——毕厚杰主编