【秒懂音影片開發】23_H.264編碼

本文主要介紹一種非常流行的影片編碼：H.264。

計算一下：10秒鐘1080p（1920×1080）、30fps的YUV420P原始影片，需要佔用多大的存儲空間？

  • (10 * 30) * (1920 * 1080) * 1.5 = 933120000位元組 ≈ 889.89MB
  • 可以看得出來，原始影片的體積是非常巨大的

由於網路頻寬和硬碟存儲空間都是非常有限的，因此，需要先使用影片編碼技術（比如H.264編碼）對原始影片進行壓縮，然後再進行存儲和分發。H.264編碼的壓縮比可以達到至少是100:1。

簡介

H.264，又稱為MPEG-4 Part 10，Advanced Video Coding。

  • 譯為：MPEG-4第10部分，高級影片編碼
  • 簡稱：MPEG-4 AVC

H.264是迄今為止影片錄製、壓縮和分發的最常用格式。截至2019年9月，已有91％的影片開發人員使用了該格式。H.264提供了明顯優於以前任何標準的壓縮性能。H.264因其是藍光碟的其中一種編解碼標準而著名，所有藍光碟播放器都必須能解碼H.264。

編碼器

H.264標準允許製造廠商自由地開發具有競爭力的創新產品，它並沒有定義一個編碼器，而是定義了編碼器應該產生的輸出碼流。

x264是一款免費的高性能的H.264開源編碼器。x264編碼器在FFmpeg中的名稱是libx264。

AVCodec *codec = avcodec_find_encoder_by_name("libx264");

解碼器

H.264標準中定義了一個解碼方法，但是製造廠商可以自由地開發可選的具有競爭力的、新的解碼器，前提是他們能夠獲得與標準中採用的方法同樣的結果。

FFmpeg默認已經內置了一個H.264的解碼器，名稱是h264。

AVCodec *codec1 = avcodec_find_decoder_by_name("h264");

// 或者
AVCodec *codec2 = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_H264);

編碼過程與原理

H.264的編程過程比較複雜，本文只介紹大體的框架和脈絡，具體細節就不展開了。

大體可以歸納為以下幾個主要步驟：

  • 劃分幀類型
  • 幀內/幀間編碼
  • 變換 + 量化
  • 濾波
  • 熵編碼

劃分幀類型

有統計結果表明：在連續的幾幀影像中，一般只有10%以內的像素有差別，亮度的差值變化不超過2%，而色度的差值變化只在1%以內。

GOP

於是可以將一串連續的相似的幀歸到一個影像群組（Group Of Pictures，GOP）。

GOP

GOP中的幀可以分為3種類型：

  • I幀（I Picture、I Frame、Intra Coded Picture），譯為：幀內編碼影像，也叫做關鍵幀（Keyframe）
    • 是影片的第一幀，也是GOP的第一幀，一個GOP只有一個I幀
    • 編碼
      • 對整幀影像數據進行編碼
    • 解碼
      • 僅用當前I幀的編碼數據就可以解碼出完整的影像
    • 是一種自帶全部資訊的獨立幀，無需參考其他影像便可獨立進行解碼，可以簡單理解為一張靜態影像
  • P幀（I Picture、I Frame、Predictive Coded Picture），譯為：預測編碼影像
    • 編碼
      • 並不會對整幀影像數據進行編碼
      • 以前面的I幀或P幀作為參考幀，只編碼當前P幀與參考幀的差異數據
    • 解碼
      • 需要先解碼出前面的參考幀，再結合差異數據解碼出當前P幀完整的影像
  • B幀（B Picture、B Frame、Bipredictive Coded Picture），譯為：前後預測編碼影像
    • 編碼
      • 並不會對整幀影像數據進行編碼
      • 同時以前面、後面的I幀或P幀作為參考幀，只編碼當前B幀與前後參考幀的差異數據
      • 因為可參考的幀變多了，所以只需要存儲更少的差異數據
    • 解碼
      • 需要先解碼出前後的參考幀，再結合差異數據解碼出當前B幀完整的影像

不難看出，編碼後的數據大小：I幀 > P幀 > B幀。

顯示和編碼順序

在較早的影片編碼標準（例如MPEG-2）中，P幀只能使用一個參考幀，而一些現代影片編碼標準（比如H.264），允許使用多個參考幀。

多個參考幀

GOP的長度

GOP的長度表示GOP的幀數。GOP的長度需要控制在合理範圍，以平衡影片品質、影片大小（網路頻寬）和seek效果（拖動、快進的響應速度）等。

  • 加大GOP長度有利於減小影片文件大小，但也不宜設置過大，太大則會導致GOP後部幀的畫面失真，影響影片品質

  • 由於P、B幀的複雜度大於I幀，GOP值過大，過多的P、B幀會影響編碼效率，使編碼效率降低

  • 如果設置過小的GOP值，影片文件會比較大，則需要提高影片的輸出碼率，以確保畫面品質不會降低，故會增加網路頻寬

  • GOP長度也是影響影片seek響應速度的關鍵因素，seek時播放器需要定位到離指定位置最近的前一個I幀，如果GOP太大意味著距離指定位置可能越遠（需要解碼的參考幀就越多）、seek響應的時間（緩衝時間）也越長

GOP的類型

GOP又可以分為開放（Open）、封閉（Closed）兩種。

  • Open
    • 前一個GOP的B幀可以參考下一個GOP的I幀
  • Closed
    • 前一個GOP的B幀不能參考下一個GOP的I幀
    • GOP不能以B幀結尾

長度為15的Open GOP

長度為15的Closed GOP

需要注意的是：

  • 由於P幀、B幀都對前面的參考幀（P幀、I幀）有依賴性，因此，一旦前面的參考幀出現數據錯誤，就會導致後面的P幀、B幀也出現數據錯誤，而且這種錯誤還會繼續向後傳播

  • 對於普通的I幀，其後的P幀和B幀可以參考該普通I幀之前的其他I幀

在Closed GOP中，有一種特殊的I幀，叫做IDR幀（Instantaneous Decoder Refresh，譯為：即時解碼刷新）。

  • 當遇到IDR幀時，會清空參考幀隊列
  • 如果前一個序列出現重大錯誤，在這裡可以獲得重新同步的機會，使錯誤不會繼續往下傳播
  • 一個IDR幀之後的所有幀，永遠都不會參考該IDR幀之前的幀
  • 影片播放時，播放器一般都支援隨機seek（拖動）到指定位置，而播放器直接選擇到指定位置附近的IDR幀進行播放最為便捷，因為可以明確知道該IDR幀之後的所有幀都不會參考其之前的其他I幀，從而避免較為複雜的反向解析

IDR

幀內/幀間編碼

I幀採用的是幀內（Intra Frame）編碼，處理的是空間冗餘。
P幀、B幀採用的是幀間（Inter Frame）編碼，處理的是時間冗餘。

劃分宏塊

在進行編碼之前，首先要將一張完整的幀切割成多個宏塊（Macroblock），H.264中的宏塊大小通常是16×16。

宏塊可以進一步拆分為多個更小的變換塊（Transform blocks）、預測塊（Prediction blocks）。

  • 變換塊的尺寸有：16×16、8×8、4×4

  • 預測塊的尺寸有：16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4

預測塊

幀內編碼

幀內編碼，也稱幀內預測。以4×4的預測塊為例，共有9種可選的預測模式。

預測模式

預測模式描述

利用幀內預測技術，可以得到預測幀，最終只需要保留預測模式資訊、以及預測幀與原始幀的殘差值。

編碼器會選取最佳預測模式，使預測幀更加接近原始幀，減少相互間的差異，提高編碼的壓縮效率。

幀間編碼

幀間編碼，也稱幀間預測，用到了運動補償（Motion compensation）技術。

編碼器利用塊匹配演算法，嘗試在先前已編碼的幀（稱為參考幀）上搜索與正在編碼的塊相似的塊。如果編碼器搜索成功，則可以使用稱為運動矢量的向量對塊進行編碼，該向量指向匹配塊在參考幀處的位置。

在大多數情況下，編碼器將成功執行，但是找到的塊可能與它正在編碼的塊不完全匹配。這就是編碼器將計算它們之間差異的原因。這些殘差值稱為預測誤差，需要進行變換並將其發送給解碼器。

綜上所述，如果編碼器在參考幀上成功找到匹配塊，它將獲得指向匹配塊的運動矢量和預測誤差。使用這兩個元素，解碼器將能夠恢復該塊的原始像素。

如果一切順利，該演算法將能夠找到一個幾乎沒有預測誤差的匹配塊，因此，一旦進行變換，運動矢量加上預測誤差的總大小將小於原始編碼的大小。

如果塊匹配演算法未能找到合適的匹配，則預測誤差將是可觀的。因此，運動矢量的總大小加上預測誤差將大於原始編碼。在這種情況下，編碼器將產生異常，並為該特定塊發送原始編碼。

變換與量化

接下來對殘差值進行DCT變換（Discrete Cosine Transform，譯為離散餘弦變換）。

規格

H.264的主要規格有：

  • Baseline Profile（BP）
    • 支援I/P幀，只支援無交錯（Progressive）和CAVLC
    • 一般用於低階或需要額外容錯的應用，比如影片通話、手機影片等即時通訊領域
  • Extended Profile（XP）
    • 在Baseline的基礎上增加了額外的功能，支援流之間的切換，改進誤碼性能
    • 支援I/P/B/SP/SI幀，只支援無交錯（Progressive）和CAVLC
    • 適合於影片流在網路上的傳輸場合，比如影片點播
  • Main Profile（MP）
    • 提供I/P/B幀，支援無交錯（Progressive）和交錯（Interlaced），支援CAVLC和CABAC
    • 用於主流消費類電子產品規格如低解碼（相對而言）的MP4、隨身的影片播放器、PSP和iPod等
  • High Profile（HiP）
    • 最常用的規格
    • 在Main的基礎上增加了8×8內部預測、自定義量化、無損影片編碼和更多的YUV格式（如4:4:4）
      • High 4:2:2 Profile（Hi422P）
      • High 4:4:4 Predictive Profile（Hi444PP）
      • High 4:2:2 Intra Profile
      • High 4:4:4 Intra Profile
    • 用於廣播及影片碟片存儲（藍光影片），高清電視的應用
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