JM86中多参考帧相关问题

JM86中多参考帧相关问题

1. 关于jm86中MAX_LIST_SIZE值的选取

我们知道在参考图像队列中listX[ i ][ j ], 这边的i的取值范围是0~5，而且0~5所代表的含义论坛上已经有人说过。

即如下:

istXsize[6];  
奇数为参考帧列表 list0 中参考帧的个数；偶数为参考帧列表 list1 中参考帧的个数。0、1用于帧图像或者场图像，2、3用于MBAFF帧图像中顶宏块，4、5用于MBAFF帧图像中底宏块  
所有涉及帧间参考的大小为6的数组都可以这样类推。例如listX[6],它的解释就是：奇数为参考帧列表 list0；偶数为参考帧列表 list1。0、1用于帧图像或者场图像，2、3用于MBAFF帧图像中顶宏块，4、5用于MBAFF帧图像中底宏块。还有 storable_picture结构体中的ref_pic_num变量第二维的那个6也是同样道理。
JM 代码中的 list_offset 的作用就是根据当前图像类型在这 6 种列表变量中选择对应的列表变量。以上是 JM86 中的情况。其他版本可能相同。

现在我们要讨论j的大小:

这个j的取值范围是0~MAX_LIST_SIZE-1 即0~32, 为什么会有33个元素呢？
我们知道264规定最多可用16个参考帧，如果是场模式，那么也就32个，但是这边还是多了一个，为什么呢？
现在我告诉你，这是程序上需要多留了一个的，跟264本身应该没有关系的。

在参考队列重排序的代码中, 我们可以看到原因。

static  void reorder_short_term(StorablePicture **RefPicListX,  int num_ref_idx_lX_active_minus1,  int picNumLX,  int *refIdxLX)
{
   int cIdx, nIdx;
  StorablePicture *picLX;
  picLX = get_short_term_pic(picNumLX);
   for( cIdx = num_ref_idx_lX_active_minus1+ 1; cIdx > *refIdxLX; cIdx-- )
    RefPicListX[ cIdx ] = RefPicListX[ cIdx -  1];
   // 假设原本的排序是 1，2，3，4，5，NULL(假设3是要重排序的)
   // 那么现在的排序是 3，1，2，3，4，5  
  RefPicListX[ (*refIdxLX)++ ] = picLX;
  nIdx = *refIdxLX; // 这边nIdx=1
   for( cIdx = *refIdxLX; cIdx <= num_ref_idx_lX_active_minus1+ 1; cIdx++ )
     if (RefPicListX[ cIdx ])
       if( (RefPicListX[ cIdx ]->is_long_term ) ||  (RefPicListX[ cIdx ]->pic_num != picNumLX ))
        RefPicListX[ nIdx++ ] = RefPicListX[ cIdx ];
   // 那么现在的排序是 3，1，2，4，5，5(最后一个5是多余的)
}

我在注释中写了，大家自己理解下。大家可以运行下面我的简化版程序

void main()
{
int test[ 6]={ 1, 2, 3, 4, 5, 0}; // 这边的最后一个0相当于多出的那一位数据
int i= 0,j= 1;
for(i= 5;i> 0;i--)
{
  test[ i ]=test[i- 1];
}
test[ 0]= 3;
for(i= 0;i< 6;i++)
{
  printf( " test[%d]=%d\n ",i,test[ i ]);
}
printf( " \n ");
for(i= 1;i<= 5;i++)
{
   if(test[ i ]!= 3)
  {
   test[j++]=test[ i ];
  }
}
for(i= 0;i< 6;i++)
{
  printf( " test[%d]=%d\n ",i,test[ i ]);
}
}

1. JM代码中ref_id, ref_idx, ref_pic_id, ref_pic_num解析

本文参考了网上的一篇文章<<ref_id, ref_idx, ref_pic_id, ref_pic_num猜想>>

此次我是参考的JM8.6

1. 变量的声明

这几个变量属于结构体StorablePicture中，其声明在文件mbuffer.h中：

//! definition a picture (field or frame)

typedef struct storable_picture{

...

int64 ref_pic_num[MAX_NUM_SLICES][6][MAX_LIST_SIZE]; MAX_NUM_SLICES=150, MAX_LIST_SIZE=33

...

int *** ref_idx; //!< reference picture [list][subblock_y][subblock_x]

int64 *** ref_pic_id; //!< reference picture identifier [list][subblock_y][subblock_x]

// (not simply index)

int64 *** ref_id; //!< reference picture identifier [list][subblock_y][subblock_x]

// (not simply index)

...

} StorablePicture; 

根据这个几个变量的声明可以得到如下信息：

1. 【数据类型】数据类型为int64的，表征的是图像序号，该图像序号的计算方式与POC有关。数据类型为int的，表征的是参考队列的下标值（索引）。
2. 【维数】根据各变量的维数信息，可以猜测ref_pic_num保存的是当前picture中的每一个slice所使用的全部list中的所有参考图像序号。ref_id，ref_idx，ref_pic_id则表示某个4x4块在某个list里的参考图像序号和索引。
3. 【数组指针】ref_pic_num声明为数组，ref_id，ref_idx，ref_pic_id为指针。猜测当解码至某一4x4块时，ref_pic_id会指向ref_pic_num数组中的某一项。

1. 实例

这里给出一个编解码实例，全frame编码，码流结构为IPBPB…

frame_num	0	1	2	2	3	3	4	4	5
POC	0	4	2	8	6	12	10	16	14
slice_type	I	P	B	P	B	P	B	P	B
ref_id[0][0][0]	0	0	0	0	0	0	0	0	0
ref_id[1][0][0]	0	0	0	0	0	0	0	0	0
ref_idx[0][0][0]	-1	0	0	0	0	0	0	0	0
ref_idx[1][0][0]	-1	-1	0	-1	0	-1	0	-1	0
ref_pic_id[0][0][0]	NA	0	0	8	8	16	16	24	24
ref_pic_id[1][0][0]	NA	NA	8	NA	16	NA	24	NA	32
ref_pic_num[0][0][0]	0	0	0	8	8	16	16	24	24
ref_pic_num[0][1][0]	0	0	8	0	16	0	24	0	32
List[0] and List[1] Red is List[0] Blue is List[1] (括号中是对应的frame_num)		0	0 4 4 0	4(1) 0(0)	4 8 0 4 8 0	8(2) 4(1) 0(0)	8 12 4 8 0 4 12 0	12(3) 8(2) 4(1) 0(0)	12 16 8 12 4 8 0 4 16 0
说明:NA: int64类型的无意义数。 ref_pic_num只给出了list[0]和list[1]的首个参考图像序号 List竖着看。例如POC为6的B帧，list[0]为4 0 8；list[1] 为8 4 0

 

首先需要说明, 为了方便起见，本例子都取用了图像的左上角4x4block。

1. ref_pic_num正如前面所说，是一个记录当前picture所有参考列表信息（以POC为依据）的表。例如POC为12的P slice，因为List0为2，1，0（frame_num），各参考图像对应的POC为8，4，0，分别乘2后得到ref_pic_num[0][0][0]…[0][0][2]为16，8，0。再例如POC为6的B slice，ref_pic_num[0][0][0]…[0][0][2]为8，0，16，ref_pic_num[0][1][0]…[0][1][2]为16，8，0，也都是列表中参考帧的图像POC的2倍（下面有讨论)。
2. ref_idx的确为参考队列的索引。在例子中，ref_idx为0，表明使用的都是相应list中的首个参考图像，通过对码流的检查，图像的左上角4x4block的确如此。且在非零处同样也做了相应检查。而ref_idx为-1，都是不使用的相应list的情况。
3. 结合上述两点分析，ref_pic_id的确指向ref_pic_num中的相应元素。
4. ref_id始终为0。因为例子中所有的数据都是采集自函数decode_one_slice内。ref_id的作用在后面有详细说明。

这是另一个全field编码的例子，码流结构仍为IPBPB…

frame_num	0	0	1	1	2	2	2	2	3	3
POC	0	1	4	5	2	3	8	9	6	7
slice_type	I	P	P	P	B	B	P	P	B	B
ref_idx[0][0][0]	-1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
ref_idx[1][0][0]	-1	-1	-1	-1	0	0	-1	-1	0	0
ref_pic_id[0][0][0]	NA	0	0	3	0	3	8	11	8	11
ref_pic_id[1][0][0]	NA	NA	NA	NA	8	11	NA	NA	16	19
ref_pic_num[0][0][0]	0	0	0	3	0	3	8	11	8	11
ref_pic_num[0][1][0]	0	0	0	0	9	11	0	0	16	19
List[0] and List[1] Red is List[0] Blue is List[1] (括号中是对应的frame_num)		0	1 0	1 2 0	0 4 1 5 4 0 5 1	1 5 0 4 5 0 4 1	3 2 1 0	3 4 1 2 0	4 8 5 9 0 4 1 5 8 0 9 1	5 9 4 8 1 5 0 4 9 1 8 0

注意:P帧使用的是pic_num, 而B帧使用的是POC

1. ref_pic_num

函数decode_one_slice()在一开始就调用了函数set_ref_pic_num()计算ref_pic_num。函数set_ref_pic_num()的定义在image.c里：

void set_ref_pic_num()
{
...
for (i= 0;i<listXsize[LIST_0];i++)
{
dec_picture->ref_pic_num[slice_id][LIST_0][i] = listX[LIST_0][i]->poc *  2 + ((listX[LIST_0][i]->structure==BOTTOM_FIELD)? 1: 0) ;
...
}
...
}

这里首先讨论一个问题，jm里为什么需要ref_pic_num。我们知道H.264里P slice和B slice的参考列表计数的序号是不同的：P slice采用的是由frame_num推导得到的PicNum；B slice采用的是POC。而如上代码所示，这里ref_pic_num则给出了一种统一的计数方式，无论是P slice还是B slice，都基于POC来得到参考图像的序号值。以上是我个人的理解。

为什么要采用poc * 2 + BOTTOM_FIELD ? 1 : 0，这是一个没能完全确定的问题。原因应当是与Picture AFF有关，但目前还没彻底想通。

1. ref_idx和ref_pic_id

在macroblock.c中，init_macroblock()函数将当前宏块中每一个4x4块对应的ref_idx和ref_pic_id都置为-1和NA值。

void init_macroblock( struct img_par *img)
{
...
for(j=img->block_y; j < img->block_y + BLOCK_SIZE; j++)
{  //  reset vectors and pred. modes
...
memset(&dec_picture->ref_idx[LIST_0][j][img->block_x], - 1, BLOCK_SIZE *  sizeof( char));
memset(&dec_picture->ref_idx[LIST_1][j][img->block_x], - 1, BLOCK_SIZE *  sizeof( char));
for (i=img->block_x;i<img->block_x+BLOCK_SIZE;i++)
{
dec_picture->ref_pic_id[LIST_0][j][i] = INT64_MIN;
dec_picture->ref_pic_id[LIST_1][j][i] = INT64_MIN;
}
}
...
}

之后在函数read_one_macroblock()和decode_one_macroblock()中ref_idx被赋值和使用（这个比较简单，不再详述）。

在函数decode_one_macroblock()中可以找到ref_pic_id指向ref_pic_num的代码：

...
dec_picture->ref_pic_id[LIST_0][j4][i4] = dec_picture->ref_pic_num[img->current_slice_nr][LIST_0 + list_offset][( short)dec_picture->ref_idx[LIST_0][j4][i4]];

dec_picture->ref_pic_id[LIST_1][j4][i4] = dec_picture->ref_pic_num[img->current_slice_nr][LIST_1 + list_offset][( short)dec_picture->ref_idx[LIST_1][j4][i4]];
...

1. ref_id

本节说明ref_id的作用。在整个工程中搜索ref_id，发现搜到的结果全部都在mbuffer.c和mbuffer.h两个文件中，因此可以变量ref_id在条带的解码计算过程中不起作用（在上面的实例中ref_id始终为0），它只是一个中间变量。

在文件mbuffer.c中与相关的主要ref_id是两部分：一部分是在函数gen_field_ref_ids()、dpb_split_field()、 dpb_combine_field()中赋值，代码类似于如下：

…
p->ref_id[LIST_0][j][i] = (dummylist0>= 0)? p->ref_pic_num[p->slice_id[j>> 2][i>> 2]][LIST_0][dummylist0] :  0;
p->ref_id[LIST_0][j][i] = (dummylist0>= 0)? p->ref_pic_num[p->slice_id[j>> 2][i>> 2]][LIST_0][dummylist0] :  0;
…

这三个函数都是与frame拆分成field、filed合并成frame相关。因此推测ref_id在这里起到中间作用。

另一部分在函数compute_colocated()中，例如：

…
p->ref_pic_id[LIST_0][j][i] = fs->ref_id[LIST_0][j][i];
p->ref_pic_id[LIST_1][j][i] = fs->ref_id[LIST_1][j][i];
…

因此推测在Direct预测时，当前的ref_pic_id是从参考图像的ref_id复制而来。

1. 总结

结论1：ref_idx是参考队列索引，是H.264标准规定的语法元素。

结论2：ref_pic_num是保存了当前所有的参考列表信息。无论是P slice还是B slice，ref_pic_num其中的参考图像序号都是基于POC计算出来的。

结论3：ref_pic_id是指针，对于当前解（编）码的4x4块，ref_pic_id指向ref_pic_num中相应的数值。

结论4：ref_id是一个中间变量。

问题1：ref_pic_num采用计算公式poc * 2 + BOTTOM_FIELD ? 1 : 0的原因。

问题2：ref_id的准确用途有待确证。

对JM86中参考列表相关问题的研究

2011年9月7日 14:25:27

多参考帧技术是H.264中一项非常重要的技术, 这项技术大大提高了H.264的在帧间匹配间的精确度, 从而使得H.264高效压缩成为可能.

多参考帧牵扯到的问题很多, 比如多参考帧的管理, DPB缓冲区的管理, 参考帧列表的初始化, 参考帧列表重排序等等.

在JM8.6的代码中, 相关的数据结构主要有StorablePicture **listX[6];int listXsize[6];

img(ImageParameters):

int number; //!< current image number to be encoded

int pn; //!< picture number

signed int framepoc; //!< min (toppoc, bottompoc)

signed int ThisPOC; //!< current picture POC

unsigned int frame_num; //!< frame_num for this frame

StorablePicture:

int poc;

int frame_poc;

int pic_num;

为了查看上述比较相近的变量的关系, 我在JM8.6中添加了一些代码, 将编码完每一帧之前listX表中的参考帧的相关信息输出到了文本文档中了. 具体如下:

1. 帧编码, 编码序列为IPBPBPB.....

最左边图像中,显示的list列表中的数据是frame_poc, 中间的是poc, 最右边的是pic_num

注意:[PB](number,pn,framepoc,ThisPOC,frame_num)

从图中我们可以看到frame_poc与poc的值完全一样, 都是pic_num值的4倍

1. 场编码, 编码序列为IPBPB...

三个图的顺序和上面的帧编码是一样的

我们从这儿可以看到frame_poc和poc之间的差别, 应该就类似与frame_poc是min (toppoc, bottompoc)

xkfz007

2011年9月7日 15:39:08