直播一:H.264编码基础知识详解

小说:笔记本电脑赚钱作者:公辛更新时间:2019-03-23字数:96051

直播一:H.264编码基础知识详解


一、编码基础概念

1、为什么要进行视频编码?

视频是由一帧帧图像组成,就如常见的gif图片,如果打开一张gif图片,可以发现里面是由很多张图片组成。一般视频为了不让观众感觉到卡顿,一秒钟至少需要16帧画面(一般是30帧),假如该视频是一个1280x720分辨率的视频,那么不经过编码一秒钟的大小:
结果:1280x720x60≈843.75M

所以不经过编码的视频根本没法保存,更不用说传输了。

2、视频压缩编码标准

视频中存在很多冗余信息,比如图像相邻像素之间有较强的相关性,视频序列的相邻图像之间内容相似,人的视觉系统对某些细节不敏感等,对这部分冗余信息进行处理的过程就是视频编码。

H.26X系列(由ITU[国际电传视讯联盟]主导)
    H.261:主要在老的视频会议和视频电话产品中使用
    H.263:主要用在视频会议、视频电话和网络视频上
    H.264:H.264/MPEG-4第十部分,或称AVC(Advanced Video Coding,高级视频编码),是一种视频压缩标准,一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。
    H.265:高效率视频编码(High Efficiency Video Coding,简称HEVC)是一种视频压缩标准,H.264/MPEG-4 AVC的继任者。可支持4K分辨率甚至到超高画质电视,最高分辨率可达到8192×4320(8K分辨率),这是目前发展的趋势,尚未有大众化编码软件出现
    
MPEG系列(由ISO[国际标准组织机构]下属的MPEG[运动图象专家组]开发)
    MPEG-1第二部分:MPEG-1第二部分主要使用在VCD上,有些在线视频也使用这种格式
    MPEG-2第二部分(MPEG-2第二部分等同于H.262,使用在DVD、SVCD和大多数数字视频广播系统中
    MPEG-4第二部分(MPEG-4第二部分标准可以使用在网络传输、广播和媒体存储上
    

3、编码流程
在进行当前信号编码时,编码器首先会产生对当前信号做预测的信号,称作预测信号(predicted signal)

预测的方式:

    时间上的预测(interprediction),亦即使用先前帧的信号做预测
    空间上的预测 (intra prediction),亦即使用同一张帧之中相邻像素的信号做预测

得到预测信号后,编码器会将当前信号与预测信号相减得到残余信号(residual signal),并只对残余信号进行编码,如此一来,可以去除一部份时间上或是空间上的冗余信息。

编码器并不会直接对残余信号进行编码,而是先将残余信号经过变换(通常为离散余弦变换)然后量化以进一步去除空间上和感知上的冗余信息。量化后得到的量化系数会再透过熵编码,去除统计上的冗余信息。

二、H.264编码详解(AVC)

1、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

相关理解:
    在相邻几幅图像画面中,一般有差别的像素只有10%以内的点,亮度差值变化不超过2%,而色度差值的变化只有1%以内
    所以对于一段变化不大图像画面,我们可以先编码出一个完整的图像帧A,随后的B帧就不编码全部图像,只写入与A帧的差别,这样B帧的大小就只有完整帧的1/10或更小!
    B帧之后的C帧如果变化不大,我们可以继续以参考B的方式编码C帧,这样循环下去。
    这段图像我们称为一个序列:序列就是有相同特点的一段数据
    当某个图像与之前的图像变化很大,无法参考前面的帧来生成,那我们就结束上一个序列,开始下一段序列
    也就是对这个图像生成一个完整帧A1,随后的图像就参考A1生成,只写入与A1的差别内容
    

2、H.264三种帧

在H.264中定义了三种帧:
    I帧:完整编码的帧叫I帧
    P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
    B帧:参考前后的帧编码的帧叫B帧

H264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

压缩方法:
    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
    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;
    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;
    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。

GOP序列:
    在H264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。
    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:

a、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。
b、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。
c、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:

a、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。
b、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。

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。

I帧、P帧、B帧实际顺序&&编码顺序:

三、H.264分层设计

H264算法在概念上分为两层:
    VCL:(Video Coding Layer)视频编码层,负责高效的内容表示。
    NAL:(Network Abstraction Layer)网络提取层,负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。
    上面所学习的知识都是VCL层。

NAL设计的目的,是根据不同的网络把数据打包成相应的格式,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。

NAL的封装方式:
    NAL是将每一帧数据写入到一个NAL单元中,进行传输或存储的
    NALU分为NAL头和NAL体
    NALU头通常为00 00 00 01,作为一个新的NALU的起始标识
    NALU体封装着VCL编码后的信息或者其他信息

NAL的封装过程:
    I帧、P帧、B帧都是被封装成一个或者多个NALU进行传输或者存储的
    每一个I帧开始之前也有非VCL的NAL单元,用于保存其他信息,它们是PPS、SPS
    PPS(Picture Parameter Sets):图像参数集
    SPS(Sequence Parameter Set):序列参数集
    在实际的H264数据帧中,往往帧前面带有00 00 00 01 或 00 00 01分隔符,一般来说编码器编出的首帧数据为PPS与SPS,接着为I帧,后续是B帧、P帧等数据

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发布时间:2019-03-23 20:54:58

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