H.264 编码中,I帧、B帧、P帧、IDR帧的区别

 admin   2020-11-17 07:42   7 人阅读  0 条评论
原标题:H.264 编码中,I帧、B帧、P帧、IDR帧的区别

H.264简介

H.264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H.264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。

H.264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。

序列的说明

在H.264中图像以序列为单位进行组织,一个序列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。

3 种帧的说明

H.264 编码中,I帧、B帧、P帧、IDR帧的区别

I帧

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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)。

P帧

P 帧:前向预测编码帧。P 帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧(或P 帧)的差别,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。

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。

B帧

B 帧:双向预测内插编码帧。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(具体比较复杂,有 4 种情况,但我这样说简单些)。

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。

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。

下面举例说明:

H.264 编码中,I帧、B帧、P帧、IDR帧的区别

在如上图中, GOP (Group of Pictures)长度为 13,S0~S7 表示 8 个视点,T0~T12 为 GOP 的 13 个时刻。每个 GOP 包含帧数为视点数 GOP 长度的乘积。在该图中一个 GOP 中,包含 94 个 B 帧。B 帧占一个 GOP 总帧数的 90.38%。

GOP 越长,B 帧所占比例更高,编码的率失真性能越高。下图测试序列 Race1 在不同 GOP 下的率失真性能对比。

H.264 编码中,I帧、B帧、P帧、IDR帧的区别

压缩算法的说明

h264的压缩方法:

(1)分组:把几帧图像分为一组(GOP,也就是一个序列),为防止运动变化,帧数不宜取多。

(2)定义帧:将每组内各帧图像定义为三种类型,即 I 帧、B 帧和 P 帧;

(3)预测帧:以I帧做为基础帧,以 I 帧预测 P 帧,再由 I 帧和 P 帧预测 B 帧;

(4)数据传输:最后将 I 帧数据与预测的差值信息进行存储和传输。

帧内(Intraframe)压缩也称为空间压缩(Spatial compression)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,这实际上与静态图像压缩类似。帧内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。帧内压缩一般达不到很高的压缩,跟编码 jpeg 差不多。

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。也即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(Temporal compression),它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。

帧间压缩一般是无损的。帧差值(Frame differencing)算法是一种典型的时间压缩法,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。

I 帧与 IDR 帧的区别

IDR(Instantaneous Decoding Refresh)--即时解码刷新。

I 和 IDR 帧都是使用帧内预测的。它们都是同一个东西而已,在编码和解码中为了方便,要首个 I 帧和其他 I 帧区别开,所以才把第一个首个 I 帧叫 IDR,这样就方便控制编码和解码流程。

IDR 帧的作用是立刻刷新,使错误不致传播,从IDR帧开始,重新算一个新的序列开始编码。而 I 帧不具有随机访问的能力,这个功能是由 IDR 承担。IDR 会导致DPB(参考帧列表——这是关键所在)清空,而 I 不会。

IDR 图像一定是 I 图像,但I图像不一定是 IDR 图像。一个序列中可以有很多的I图像,I 图像之后的图像可以引用 I 图像之间的图像做运动参考。

一个序列中可以有很多的 I 图像,I 图像之后的图象可以引用I图像之间的图像做运动参考。

对于 IDR 帧来说,在 IDR 帧之后的所有帧都不能引用任何 IDR 帧之前的帧的内容,与此相反,对于普通的 I 帧来说,位于其之后的 B- 和 P- 帧可以引用位于普通 I- 帧之前的 I- 帧。

从随机存取的视频流中,播放器永远可以从一个 IDR 帧播放,因为在它之后没有任何帧引用之前的帧。但是,不能在一个没有 IDR 帧的视频中从任意点开始播放,因为后面的帧总是会引用前面的帧。

举个例子,在一段视频中,存在以下帧:I P B P B P B B PI PB…

如果这段视频应用了多重参照帧,那么蓝色的 P 帧在参照他前面的 I 帧(红色)的同时,还可能会参照 I 帧之前的 P (绿色),由于 I 帧前后的场景可能会有很大的反差甚至根本不同。

所以此时 P 帧参考I帧之前的帧不但会没有意义,反而会造成很多问题。所以一种新型的帧被引入,那就是 IDR 帧。

如果这段视频应用了多重参考帧的同时采用了 IDR 帧,那么帧的顺序就会变成这样:I P B P B P B B PIDR PB…

由于 IDR 帧禁止后面的帧向自己前面的帧参照,所以这回那个蓝色的 P 帧就不会参照绿色的 P 帧了。

作者:聚优致成

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