H264 NALU分析

H264简介

H.264从1999年开始，到2003年形成草案，最后在2007年定稿有待核实。在ITU的标准⾥称为H.264，在MPEG的标准⾥是MPEG-4的⼀个组成部分–MPEG-4 Part 10，⼜叫AdvancedVideo Codec，因此常常称为MPEG-4 AVC或直接叫AVC。

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H264编码原理

在⾳视频传输过程中，视频⽂件的传输是⼀个极⼤的问题；⼀段分辨率为1920*1080，每个像素点为RGB占⽤3个字节，帧率是25的视频，对于传输带宽的要求是：1920*1080*3*25/1024/1024=148.315MB/s，换成bps则意味着视频每秒带宽为1186.523Mbps，这样的速率对于⽹络存储是不可接受的。因此视频压缩和编码技术应运⽽⽣。

对于视频⽂件来说，视频由单张图⽚帧所组成，⽐如每秒25帧，但是图⽚帧的像素块之间存在相似性，因此视频帧图像可以进⾏图像压缩；H264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：

H264中的I帧、P帧和B帧

H26使⽤帧内压缩和帧间压缩的⽅式提⾼编码压缩率；H264采⽤了独特的I帧、P帧和B帧策略来实现，连续帧之间的压缩；

如上图所示：

帧的分类

中文

意义

I帧

帧内编码帧intra picture

I 帧通常是每个 GOP（MPEG 所使⽤的⼀种视频压缩技术）的第⼀个帧，经过适度地压缩，做为随机访问的参考点，可以当成图象。I帧可以看成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。

P帧

前向预测编码帧predictive-frame

通过充分将低于图像序列中前⾯已编码帧的时间冗余信息来压缩传输数据量的编码图像，也叫预测帧。需要参考其前⾯的⼀个I frame 或者P frame来⽣成⼀张完整的图⽚。

B帧

双向预测帧bi-directional interpolatedprediction frame

既考虑与源图像序列前⾯已编码帧，也顾及源图像序列后⾯已编码帧之间的时间冗余信息来压缩传输数据量的编码图像,也叫双向预测帧。则要参考其前⼀个I或者P帧及其后⾯的⼀个P帧来⽣成⼀张完整的图⽚。

压缩率 B > P > I

H264编码结构解析

H264除了实现了对视频的压缩处理之外，为了⽅便⽹络传输，提供了对应的视频编码和分⽚策略；类似于⽹络数据封装成IP帧，在H264中将其称为组(GOP, group of pictures)、⽚（slice）、宏块（Macroblock）这些⼀起组成了H264的码流分层结构；H264将其组织成为序列(GOP)、图⽚(pictrue)、⽚(Slice)、宏块(Macroblock)、⼦块(subblock)五个层次。

GOP （图像组）主要⽤作形容⼀个IDR帧 到下⼀个IDR帧之间的间隔了多少个帧。

H264将视频分为连续的帧进⾏传输，在连续的帧之间使⽤I帧、P帧和B帧。同时对于帧内⽽⾔，将图像分块为⽚、宏块和字块进⾏分⽚传输；通过这个过程实现对视频⽂件的压缩包装。

IDR（Instantaneous Decoding Refresh，即时解码刷新）

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和IDR帧都使⽤帧内预测。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。⽐如（解码的顺序）：

  • 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

　　原始图像： IDR1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 I10

  • 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

其核⼼作⽤是，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。

下⾯是⼀个H264码流的举例（从码流的帧分析可以看出来B帧不能被当做参考帧）

I0 B40 B80 B120 P160
I0 B160

GOP group of pictures

GOP 指的就是两个I帧之间的间隔. ⽐较说GOP为120,如果是720 p60 的话,那就是2s⼀次I帧.在视频编码序列中，主要有三种编码帧：I帧、P帧、B帧，如下所示：

  1. I帧即Intra-coded picture（帧内编码图像帧），不参考其他图像帧，只利⽤本帧的信息进⾏编码。
  2. P帧即Predictive-codedPicture（预测编码图像帧），利⽤之前的I帧或P帧，采⽤运动预测的⽅式进⾏帧间预测编码。
  3. B帧即Bidirectionallypredicted picture（双向预测编码图像帧)，提供最⾼的压缩⽐，它既需要之前的图像帧(I帧或P帧)，也需要后来的图像帧(P帧)，采⽤运动预测的⽅式进⾏帧间双向预测编码。

在视频编码序列中，GOP即Group of picture（图像组），指两个I帧之间的距离，Reference（参考周期）指两个P帧之间的距离。⼀个I帧所占⽤的字节数⼤于⼀个P帧，⼀个P帧所占⽤的字节数⼤于⼀个B帧。

所以在码率不变的前提下，GOP值越⼤，P、B帧的数量会越多，平均每个I、P、B帧所占⽤的字节数就越多，也就更容易获取较好的图像质量；Reference越⼤，B帧的数量越多，同理也更容易获得较好的图像质量。

需要说明的是，通过提⾼GOP值来提⾼图像质量是有限度的，在遇到场景切换的情况时，H.264编码器会⾃动强制插⼊⼀个I帧，此时实际的GOP值被缩短了。另⼀⽅⾯，在⼀个GOP中，P、B帧是由I帧预测得到的，当I帧的图像质量⽐较差时，会影响到⼀个GOP中后续P、B帧的图像质量，直到下⼀个GOP开始才有可能得以恢复，所以GOP值也不宜设置过⼤。同时，由于P、B帧的复杂度⼤于I帧，所以过多的P、B帧会影响编码效率，使编码效率降低。另外，过⻓的GOP还会影响Seek操作的响应速度，由于P、B帧是由前⾯的I或P帧预测得到的，所以Seek操作需要直接定位，解码某⼀个P或B帧时，需要先解码得到本GOP内的I帧及之前的N个预测帧才可以，GOP值越⻓，需要解码的预测帧就越多，seek响应的时间也越⻓。

NALU

SPS：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。
PPS：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。

发I帧之前，⾄少要发⼀次SPS和PPS。

NALU结构

H.264原始码流(裸流)是由⼀个接⼀个NALU组成，它的功能分为两层，VCL(视频编码层)和NAL(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

在VCL进⾏数据传输或存储之前，这些编码的VCL数据，被映射或封装进NAL单元。（NALU）

⼀个NALU = ⼀组对应于视频编码的NALU头部信息 + ⼀个原始字节序列负荷(RBSP,Raw Byte Sequence Payload).

NALU结构单元的主体结构如下所示；⼀个原始的H.264 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"，除此之外基本相当于⼀个NAL header + RBSP;

（对于FFmpeg解复⽤后，MP4⽂件读取出来的packet是不带startcode，但TS⽂件读取出来的packet带了startcode）

解析NALU

每个NAL单元是⼀个⼀定语法元素的可变⻓字节字符串，包括包含⼀个字节的头信息（⽤来表示数据类型），以及若⼲整数字节的负荷数据。

NALU头信息（⼀个字节）：

其中：

  • T为负荷数据类型，占5bit

　　nal_unit_type：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

  • R为重要性指示位，占2个bit

　　nal_ref_idc.：取00~11,似乎指示这个NALU的重要性,如00的NALU解码器可以丢弃它⽽不影响图像的回放,0～3，取值越⼤，表示当前NAL越重要，需要优先受到保护。如果当前NAL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。

  • 最后的F为禁⽌位，占1bit

　　forbidden_zero_bit： 在 H.264 规范中规定了这⼀位必须为 0.

H.264标准指出，当数据流是储存在介质上时，在每个NALU 前添加起始码：0x000001 或0x00000001，⽤来指示⼀个NALU 的起始和终⽌位置：

  • 在这样的机制下，在码流中检测起始码，作为⼀个NALU得起始标识，当检测到下⼀个起始码时，当前NALU结束。
  • 3字节的0x000001只有⼀种场合下使⽤，就是⼀个完整的帧被编为多个slice（⽚）的时候，包含这些slice的NALU 使⽤3字节起始码。其余场合都是4字节0x00000001的。

例⼦：
0x00 00 00 01 67 …
0x00 00 00 01 68 …
0x00 00 00 01 65 …
67：
⼆进制：0110 0111
00111 = 7（⼗进制）

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slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

2

编码条带数据分割块A slice_data_partition_a_layer_rbsp( )

3

编码条带数据分割块B slice_data_partition_b_layer_rbsp( )

4

编码条带数据分割块C slice_data_partition_c_layer_rbsp( )

5

IDR图像的编码条带(⽚) slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

6

辅助增强信息 (SEI) sei_rbsp( )

7

序列参数集 seq_parameter_set_rbsp( )

8

图像参数集 pic_parameter_set_rbsp( )

9

访问单元分隔符 access_unit_delimiter_rbsp( )

10

序列结尾 end_of_seq_rbsp( )

11

流结尾 end_of_stream_rbsp( )

12

填充数据 filler_data_rbsp( )

13

序列参数集扩展 seq_parameter_set_extension_rbsp( )

14...18

保留

19

未分割的辅助编码图像的编码条带 slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

20...23

保留

24...31

未指定

H264 annexb模式

H264有两种封装
⼀种是annexb模式，传统模式，有startcode，SPS和PPS是在ES中
⼀种是mp4模式，⼀般mp4 mkv都是mp4模式，没有startcode，SPS和PPS以及其它信息被封装在container中，每⼀个frame前⾯4个字节是这个frame的⻓度
很多解码器只⽀持annexb这种模式，因此需要将mp4做转换：在ffmpeg中⽤h264_mp4toannexb_filter可以做转换

实现：

const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
// 2 初始化过滤器上下⽂av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
// 3 添加解码器属性
avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->cod
ecpar);
av_bsf_init(bsf_ctx);

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