解码H264文件的一些基础知识

时间：2024-02-18 18:57:28

这段时间一直在进行编写H264文件的解析类，因此对于H264文件的格式有了初步的了解，官方文档也看了个大概。这篇文章主要是总结了一些为解码H264文件而需要的一些前期知识，话不多说，下面是干货，有些是自己在wiki上翻译过来的，有些是看官方文档后发现的一些关键部分。 
首先了解一下视频文件中的一些知识：

Video compression picture types（视频压缩图像类型）

1. 视频帧的压缩使用了不同的算法，这些应用于视频帧的不同算法被称为图像类型或者帧类型。
    a. I - 该帧可压缩程度最低，也不需要通过其他视频帧解码。
    b. P  - 该帧可以引用前面的帧的数据来解压缩并且相对于I帧来说，该帧可以压缩程度更高。
    c. B - 该帧可以引用前面的帧和后面的帧的数据，从而压缩程度最高。

这里写图片描述 
（图为一段视频帧，由2个关键帧（I-frame），1个向前预测帧（P-frame）和1个双向预测帧（B-frame）构成）

这里共有三种类型的帧被用在视频压缩技术中：I-帧，P-帧 和 B-帧。 
I-帧是一种“内编码图片”，实际上是一种信息十分详细的图片，跟传统的静态图片文件相似。P-帧 和 B-帧 只存储了部分的图片信息，因此相比于I-帧来说，他们需要更少的存储空间，也因此而提高了压缩速率。 
P-帧（“预测图片”）只保存图片中与前一帧的不同的地方。比如，在一个场景中，汽车行驶在静止的背景中，只有汽车的运动需要被编码。编码器无需存储未改变的背景像素信息到P-帧中，因此而节省了空间，P-帧 也同样被称为 delta-帧。 
B-帧（“双向预测图片”）通过比较现在的帧和前后的帧的不同来指定具体存储的内容，从而节省了更多的空间。

Slices（条带）

一个条带是一个帧中比较独特的区域，不同于该帧中的其他区域。在最新的国际标准中，这里已经存在 I-slices（I-条带），P-slices（P-条带）和 B-slices(B-条带)。

Macroblocks（宏块）

普遍来说，图片（帧）被分割成许多宏块和个体预测类型能够在宏块层被挑选出来，并且整个图片（帧）中的宏块与宏块并不相同，如下： 
1. I-帧 只能包含内部宏块 
2. P-帧 既能包含内部宏块，也能包含预测宏块 
3. B-帧 能包含内部宏块，预测宏块和双向预测宏块 
进一步说，在视频编解码H.264中，帧能够被分割成宏块序列，该宏块序列被称为条带(slices)。编解码过程不是使用I，B和P 帧类型作为选集，而是通过每个条带明确无误的选择出预测类型。在H.264文件中也能找到几个额外的 帧/条带 类型： 
1. SI-帧/条带（Switching I）；使编码流之间的转换变得更加容易；包含了 SI-宏块（一种内部编码宏块的特殊类型） 
2. SP-帧/条带（Switching P）；使编码流之间的转换变得更加容易；包含了 P-宏块 和/或 I-宏块。 
3. muti-帧 动态预测（包括16个引用帧，或32个引用域）

Intra coded frames/slices(I-frames/slices or Key frames)（内编码帧/条带(I帧/条带 或者 关键帧)）

1. I-帧 编码不依赖于其他帧
2. 可能被编码器生成并创建于一个随机访问点（来允许解码器在图片的该位置开始解码）
3. 当区分图片细节时也可能为了避免产生有效的 P-帧 或 B-帧 而生成
4. 普遍来说比其他类型的帧需要更多的位数来编码

通常，I-帧 被用来随机访问和作为其他图片（帧）解码时的引用。内部刷新周期通常为半秒（在数字电视广播和DVD存储介质中很常见）。在一些环境下，也可能需要更长的时间周期。比如，在视频会议系统中，通常会间歇的发送I-帧（不频繁的发送）。

Predicted frames/slices(P-frames/slices)(预测帧/条带(P-帧/条带))

1. 为了解码的需要，要优先解码一些其他图片(帧)
2. 可能包含图像数据或运动向量偏移量或者两者的组合
3. 能够按照解码顺序引用前面的图片
4. 旧的设计标准在解码时只使用一张前面的解码图片作为引用，并且需要该图片也要在P-帧图片之前显示。
5. 在H.264文件中，在解码过程中能够使用多个先前解码的图片作为引用，并且相对于被用来做预测的图片帧，该帧能够以任意顺序显示。
6. 通常，相对于编码I-帧来说，编码预测帧需要更少的比特位数。

Bi-directional predicted frames/slices(B-frames/slices)(双向预测帧/条带(B-帧/条带))

1. 为了解码的需要，要优先解码一些其他图片(帧)
2. 可能包含图像数据或运动向量偏移量或者两者的组合
    a. 旧的标准有一个关于整个帧的全局运动补偿向量
    b. 一些标准关于每个宏块都有一个运动补偿向量
3. 一些标准允许每个宏块使用两个运动补偿向量（双向预测）
4. 在旧的设计标准中（比如MPEG-2），B-帧从不用来作为其他图片(帧)的预测引用。因此，B-帧可以用一个稍低质量的编码(编码量少的)来完成，因为一些细节的丢失不会对预测后续图片(帧)的质量带来影响。
5. 在H.264文件中，有可能被作为解码其他图片（帧）的引用（由编码器决定）
6. 在旧的设计标准中（比如MPEG-2），在解码过程中会使用前面的2帧解码图片作为引用，并且需要其中一帧在B-帧之前显示，另外一帧在B-帧之后显示。
7. 在H.264文件中，能够使用1,2或者更多先前解码的图片(帧)作为解码过程中的引用，并且相对于被用来做预测的图片帧，该帧能够以任意顺序显示。
8. 通常，相对于编码I-帧 和 P-帧来说，编码该帧需要更少的比特位数。

有了已上的基本知识以后，我们已经了解到I-帧是关键帧，并且是占空间最多的帧，因为很多数据都是内编码的，而P-帧是预测帧，需要借助前面的帧来作为引用，从而得到完整的数据，而B-帧是双向预测帧，需要借助前面和后面的帧来作为引用。因此一般来说占用空间排序：I-帧 > P-帧 > B-帧 （I-帧占用空间最多）。

对于如何解析帧类型(I,P还是B帧等等)，需要用到nal_unit_type这一字段，在Nalu中它占据第一个字节的3~8位，Nalu的第一个字节（忽略起始码startcode：0x000001 or 0x00000001）如下： 
forbidden_zero_bit: 1 bit 
nal_ref_idc: 2 bit 
nal_unit_type: 5 bit 
官方文档也给出了语义解析，以伪代码的形式给出的： 
这里写图片描述
后面的f(1),u(2),u(5)是代表要使用的解析方法，前面加深的粗体forbidden_zero_bit，nal_ref_idc，nal_unit_type称为syntax_element，语法元素，即：解析这些语法元素要用到后面的f(1),u(2),u(5)方法，下面是官方文档中给出的解析方法： 
这里写图片描述
这里写图片描述
这里面的解析方法，个人感觉只有Exp-Golomb-coded的解析有些麻烦（解析具体是什么帧需要用到该方法），其他的用简单的几个位操作就能轻松应对了吧，下面讲讲指数哥伦布编码的相关信息：

Exponential-Golomb(universal code)：指数哥伦布编码

以下是wiki上给出的解释（给翻译过来的，英文水平不好，请轻喷，thanks）
    1. (默认k=0的形式)
        a. 将原数加1写成二进制形式
        b. 将1中的二进制的位数减一并记下，添加这么多个0到1中二进制位数的前面
    例子：
        0 ⇒ 1 ⇒ 1
        1 ⇒ 10 ⇒ 010
        2 ⇒ 11 ⇒ 011
        3 ⇒ 100 ⇒ 00100
        4 ⇒ 101 ⇒ 00101
        5 ⇒ 110 ⇒ 00110
        6 ⇒ 111 ⇒ 00111
        7 ⇒ 1000 ⇒ 0001000
        8 ⇒ 1001 ⇒ 0001001
    将其推广到负数范围表示，方法如下：
    (1) 非负整数x≤0映射到偶数-2x上
    (2) 正整数x>0映射到奇数2x - 1上
    例子：
         0 ⇒ 0 ⇒ 1 ⇒ 1
         1 ⇒ 1 ⇒ 10 ⇒ 010
        −1 ⇒ 2 ⇒ 11 ⇒ 011
         2 ⇒ 3 ⇒ 100 ⇒ 00100
        −2 ⇒ 4 ⇒ 101 ⇒ 00101
         3 ⇒ 5 ⇒ 110 ⇒ 00110
        −3 ⇒ 6 ⇒ 111 ⇒ 00111
         4 ⇒ 7 ⇒ 1000 ⇒ 0001000
        −4 ⇒ 8 ⇒ 1001 ⇒ 0001001
    2. 衍生到k阶(k≥0)形式
        a. 用于编码更大的数，编码后形成更少的二进制位(编码比较小的数需要使用更多的二进制位数)
        b. 要以k阶形式编码一个非负整数x，方法如下：
            i. 以0阶方式编码⌊x/2^k ⌋
            ii. 将x取模2^k
        等价方式:
            i. 使用0阶exp-Golomb编码方式编码x+2k−1
            ii. 从编码结构中删除前面的k个0位

这里写图片描述

官方文档有关于解析哥伦布指数编码的方法，of course，仍然是以伪代码的形式给出: ) 
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述

再继续说解析帧类型的方法… 
依然是官方文档…. 
发现了这么一个东东 
这里写图片描述 
这应该就是我们要分析该Nalu是什么帧类型的关键吧！于是找找它在哪里出现过 
这里写图片描述
很明显，第3行出现了，再找找slice_header出现的地方 
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述

然后再继续逆向查找它们分别出现在哪里，结果最后都在一张表中找到了 
这里写图片描述
于是开始分析：

    1. 对于slice_layer_without_partitioning_rbsp： 
      1. nal_unit_type = 1，5，19
    2. 对于slice_data_partition_a_layer_rbsp： 
      1. nal_unit_type = 2
    3. 对于slice_layer_extension_rbsp： 
      1. nal_unit_type = 20 
        于是下面就是具体分析nal_unit_type的值来进行相应处理的过程： 
        首先，在代码中枚举如下NAL单元类型(参考了下ffmpeg) 
        这里写图片描述
        相应的，枚举如下Slice类型，根据Slice类型即能得出帧类型 
        这里写图片描述 
        (具体为什么要都定义2种，因为根据官方文档来写的，其实每个第二种类型数值-5即为第一种类型，没有仔细研究) 
        具体的解析代码在我的GitHub上，欢迎参观：yijiazhen的GitHub 
        刚刚接触H264文件解析不久，如有分析错误或是不到位的地方，恳请各路好汉批评指正，希望可以互相交流，共同提高。

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