H264编码原理详解

H.264解码参考文章：H.264解码详解

视频编码的发展

视频编码经历了多个阶段，从最初的模拟时代发展到数字时代，不断提高了数据的压缩效率和视频质量。

模拟视频编码（1950s-1970s）

最早期的视频编码是基于模拟信号的编码，主要用于模拟电视广播。这些编码系统采用了较为简单的压缩技术，但受到了模拟技术的限制。

数字视频编码的兴起（1980s）

随着数字技术的发展，数字视频编码开始崭露头角。在这一时期，出现了一些基于数字信号的视频编码标准，但它们的压缩效率相对较低。

H.261标准（1988）

1984年CCITT第15研究组发布了数字基群电视会议编码标准H.120建议。1988年CCITT通过了视像编码标准H.261建议，被称为视频压缩编码的一个里程碑。从此，ITU-T、ISO等公布的基于波形的一系列视频编码标准的编码方法都是基于H.261中的混合编码方法。

MPEG-1标准（1993）

MPEG-1是第一个被广泛采用的数字视频编码标准，主要用于VCD（Video CD）的压缩。它在压缩效率和视频质量方面取得了一些进展。

MPEG-2标准（1995）

MPEG-2进一步提高了视频压缩的效率，广泛应用于数字电视、DVD和广播领域。它支持更高的分辨率和比特率。

H.263标准（1995）

1995年，ITU-T推出H.263标准，用于低于64kbit/s的低码率视频传输，如PSTN信道中可视会议、多媒体通信等。1984年和2000年又分别公布了H.263+、H.263++等标准。

MPEG-4标准（1998）

1998年11月被ISO/IEC批准为国际标准，其正式标准编号是ISO/IEC 14496。与MPEG-1和MPEG-2标准相比，MPEG-4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，主要应用于可视电话、视频会议等。

H.264/AVC标准（2003）

H.264是一项里程碑式的进展，引入了先进的视频编码技术，包括帧内和帧间预测、熵编码等。它在相同质量下显著减小了文件大小，广泛应用于互联网视频、蓝光光盘等。

H.265/HEVC标准（2013）

H.265是H.264的继任者，引入了更高效的编码技术。它在维持相同质量的情况下，进一步减小了文件大小，适用于4K和8K视频。

VP9和AV1标准（2013、2018）

VP9和AV1是Google和AOMedia联盟推出的开放源代码视频编码标准，旨在提供更高效的视频压缩。它们主要用于在线视频流服务。

视频编码的未来

随着技术的不断发展，视频编码仍在不断创新。未来的趋势会包括更高效的编码算法、更好的网络适应性、更广泛的4K和8K应用，以及更低的延迟。

H.264/AVC编码器原理

H.264是一种高度压缩的视频编码标准，也被称为MPEG-4 AVC（Advanced Video Coding）。它是一种广泛使用的视频编码标准，通常用于视频压缩、存储和传输，支持高清视频等。

H.264/AVC编解码器

H.264并不直接地规定一个编解码器如何实现，而是规定了一个编码后的视频比特流的句法和该比特流的解码方法。

关键帧和预测帧

I帧是关键帧，包含完整的图像信息，解码出来就能完全显示。码流数据很大。
B帧是双向预测帧，相似度在95%以内。需要依赖于I帧和P帧进行编解码。码流数据很小。有一定的延迟。
P帧是向前预测帧，相似度在70%以内。需要依赖前一个I帧或者前一个P帧进行编解码。码流数据一般。只存储于前一帧不同的部分。

编码器原理

H.264编码器采用的是变换加预测的混合编码法。如下图，输入的帧以宏块为单位被编码器处理。首先，按帧内或帧间预测编码的方法进行处理。

如果采用帧间预测编码，当前帧和参考帧经过ME（运动估计）的数据和参考帧和数据作为输入，两者经过MC（运动补偿）得到预测值P。预测值P和当前块相减后，得到一个残差块Dn，经块变换、量化后产生一组量化后的变换系数X，再经重排序，熵编码，加上与解码所需的一些头信息一起组成一个压缩后的码流，经NAL（网络自适应层）供传输和存储用。这里的NAL是网络自适应层，不是NAL单元。

帧内预测是当前帧和未经滤波的重建帧之间得到预测值。未经滤波的重建帧是由残差块后的变换系数X经过反量化和反变换后与P值相加所得。同时未经滤波的重建中帧uFn经过滤波得到重建帧，作为进一步预测的参考帧。

H.264的功能分为两层：视频编码层（VCL，Video CodingLayer）和网络提取层（NAL，Network Abstraction Layer）。在视频编码层，编码的VCL数据，先被映射或封装进NAL单元中。VCL NAL单元（Video Coding Layer NAL Unit）：包含视频编码的实际图像数据，如帧的关键信息、非关键信息等。视频数据被分割成一个个的NAL单元。每个NAL单元都包含了一部分编码数据，以及一些控制信息。这些NAL单元可以独立传输，接收端可以根据NAL单元的类型和顺序进行解码和播放。

H.264句法元素的分层结构

H.264视频编码标准定义了一种复杂的语法结构，该结构用于描述视频数据的组织和编码。H.264的句法元素分层结构包括多个层次，如下。

使用ffmpeg对视频进行编码

extern "C" {
#include 
#include 
#include 
}

int main() {
    // 初始化FFmpeg
    av_register_all();

    // 创建AVFormatContext，用于保存编码后的视频数据
    AVFormatContext *formatContext = avformat_alloc_context();
    avformat_alloc_output_context2(&formatContext, nullptr, nullptr, "output.h264");

    // 创建AVCodecContext，用于配置编码器参数
    AVCodecContext *codecContext = avcodec_alloc_context3(nullptr);
    AVCodec *codec = avcodec_find_encoder_by_name("libx264");

    codecContext->bit_rate = 400000; // 设置比特率
    codecContext->width = 640;      // 设置视频宽度
    codecContext->height = 480;     // 设置视频高度
    codecContext->time_base = {1, 25}; // 设置帧率
    codecContext->framerate = {25, 1}; // 设置帧率

    // 打开编码器
    avcodec_open2(codecContext, codec, nullptr);

    // 创建AVFrame，用于存储原始视频帧
    AVFrame *frame = av_frame_alloc();
    frame->width = codecContext->width;
    frame->height = codecContext->height;
    frame->format = AV_PIX_FMT_YUV420P;

    av_frame_get_buffer(frame, 32); // 分配帧缓冲区

    // 创建输出文件
    avio_open(&formatContext->pb, "output.h264", AVIO_FLAG_WRITE);

    // 写文件头
    avformat_write_header(formatContext, nullptr);

    // 准备图像数据（这里只是示例，实际需要从摄像头或文件中获取图像数据）
    // ...

    // 将图像数据编码并写入文件
    // 这里的循环中，不断将原始图像数据编码成H.264格式并写入文件
    for (int i = 0; i < num_frames; ++i) {
        // 将图像数据拷贝到AVFrame中
        // ...

        // 发送原始图像帧给编码器
        avcodec_send_frame(codecContext, frame);

        // 接收编码后的数据
        AVPacket pkt;
        av_init_packet(&pkt);
        pkt.data = nullptr;
        pkt.size = 0;
        avcodec_receive_packet(codecContext, &pkt);

        // 将编码后的数据写入文件
        av_write_frame(formatContext, &pkt);

        av_packet_unref(&pkt);
    }

    // 写文件尾
    av_write_trailer(formatContext);

    // 释放资源
    avcodec_free_context(&codecContext);
    avformat_free_context(formatContext);

    return 0;
}