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视频编码之I,P,B帧

音视频开发进阶 2022-6-25 20:39:41 280

视频编码之I,P,B帧

编码主要是想办法压缩视频的大小。

使用帧间编码技术可以去除时间上的冗余信息,具体包括以下几个部分。

  • 运动补偿:运动补偿是通过先前的局部图像来预测、补偿当前的局部图像,它是减少帧序列冗余信息的有效方法。
  • 运动表示:不同区域的图像需要使用不同的运动矢量来描述运动信息。
  • 运动估计:运动估计是从视频序列中抽取运动信息的一整套技术。

使用帧内编码技术可以去除空间上的冗余信息。

对于视频,ISO同样也制定了标准:Motion JPEG即MPEG,MPEG算法是适用于动态视频的压缩算法,它除了对单幅图像进行编码外,还利用图像序列中的相关原则去除冗余,这样可以大大提高视频的压缩比。截至目前,MPEG的版本一直 在不断更新中,主要包括这样几个版本:Mpeg1(用于VCD)、Mpeg2(用于 DVD)、Mpeg4 AVC(现在流媒体使用最多的就是它了)。

相比较于ISO制定的MPEG的视频压缩标准,ITU-T制定的H.261、 H.262、H.263、H.264一系列视频编码标准是一套单独的体系。其中, H.264集中了以往标准的所有优点,并吸取了以往标准的经验,采用的是简洁设计,这使得它比Mpeg4更容易推广。现在使用最多的就是H.264标准,H.264创造了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术,使用了更精细的分像素运动矢量(1/4、1/8)和新一代的环路滤波器, 这使得压缩性能得到大大提高,系统也变得更加完善

编码的概念

在H264中,三种类型的帧数据分别为

IPB帧

视频压缩中,每帧都代表着一幅静止的图像。而在进行实际压缩时,会采取各种算法以减少数据的容量,其中IPB帧就是最常见的一种。

  • 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,作为随机访问的参考点,可以当成静态图像。I帧可以看作一个图像经过压缩后的产物,I帧压缩可以得到6:1的压缩比而不会产生任何可觉察的模糊现象。I帧压缩可去掉视频的空间冗余信息,下面即将介绍的P帧和B帧是为了去掉时间冗余信息。
  • P帧:前向预测编码帧(predictive-frame),通过将图像序列中前面已编码帧的时间冗余信息充分去除来压缩传输数据量的编码图像,也称为预测帧。P帧表示的是这一帧跟之前的一个I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。(也就是差别帧,P帧没有完整画面数据,只有与前一帧的画面差别的数据)
  • B帧:双向预测内插编码帧(bi-directional interpolated prediction frame),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。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的负荷会比较大。

基于上面的定义,我们可以从解码的角度来理解IPB帧。 I帧自身可以通过视频解压算法解压成一张单独的完整视频画面, 所以I帧去掉的是视频帧在空间维度上的冗余信息。 P帧需要参考其前面的一个I帧或者P帧来解码成一张完整的视频画面。 B帧则需要参考其前一个I帧或者P帧及其后面的一个P帧来生成一 张完整的视频画面,所以P帧与B帧去掉的是视频帧在时间维度上的冗余信息。

以一个经典的例子去讲解这个知识点可能会比较直观一点。如图

I帧记录的就是完整的信息,这里不用多说。看一下I帧与P帧的关系。首先我们看原始的图片,P帧比I帧多了一个小方块。所以P帧最后的存储的就只是一个小方块的信息。可以理解为I帧与P帧组合起来就得到原始的图片了。

同理,来看一下B帧。可以看到B帧与I帧,p帧的组合才会形成原始图片。

GOP(序列)和IDR

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。

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。 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。两个I帧之间形成一组图片,就是GOP(Group Of Picture)。

【GOP示意图】

PTS和DTS

【为什么会有PTS和DTS的概念】

通过上面的描述可以看出:P帧需要参考前面的I帧或P帧才可以生成一张完整的图片,而B帧则需要参考前面I帧或P帧及其后面的一个P帧才可以生成一张完整的图片。这样就带来了一个问题:在视频流中,先到来的 B 帧无法立即解码,需要等待它依赖的后面的 I、P 帧先解码完成,这样一来播放时间与解码时间不一致了,顺序打乱了,那这些帧该如何播放呢?这时就引入了另外两个概念:DTS 和 PTS。

【PTS和DTS】

先来了解一下PTS和DTS的基本概念:

DTS(Decoding Time Stamp):即解码时间戳,这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。 PTS(Presentation Time Stamp):即显示时间戳,这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。

虽然 DTS、PTS 是用于指导播放端的行为,但它们是在编码的时候由编码器生成的。

在视频采集的时候是录制一帧就编码一帧发送一帧的,在编码的时候会生成 PTS,这里需要特别注意的是 frame(帧)的编码方式,在通常的场景中,编解码器编码一个 I 帧,然后向后跳过几个帧,用编码 I 帧作为基准帧对一个未来 P 帧进行编码,然后跳回到 I 帧之后的下一个帧。编码的 I 帧和 P 帧之间的帧被编码为B 帧。

之后,编码器会再次跳过几个帧,使用第一个 P 帧作为基准帧编码另外一个 P 帧,然后再次跳回,用 B 帧填充显示序列中的空隙。这个过程不断继续,每 12 到 15 个 P 帧和 B 帧内插入一个新的 I 帧。P 帧由前一个 I 帧或 P 帧图像来预测,而 B 帧由前后的两个 P 帧或一个I帧和一个P帧来预测,因而编解码和帧的显示顺序有所不同,如下所示:

过程大概如上图所以。我们接下来一步一步讲解上面的过程。

首先是我们的帧序号,一开始,帧序号是按照顺序来的,这一点没有疑问。然后这些顺序帧也都是有类型的。如上所述第一帧是I帧,第二帧是B帧,依次类推得到我们的帧类型了。我们要正常播放肯定就是需要按照我们原始的需要播放,也就是按照1...7这种需要播放。所以我们的PTS也是1...7这样顺序显示的。

现在到编码顺序了,这里也是关键点了,编解码器编码一个I帧,然后向后跳过几个帧,用编码I帧作为基准帧对一个未来P帧进行编码。然后跳回到I帧之后的下一个帧。编码的I帧和P帧之间的帧被编码为B帧。如下图。

我们根据第一到七步的顺序,得到编码顺序对应的帧序号为

而这些序号对应的帧类型为。

那解码的时间戳为顺序的,即1234567

到这里发现问题了没有?如果我们按照解码的时间戳来显示的话,那么显示的顺序就是IPBBPBB和我们原来的IBBPBBP顺序是不一样的。这样相当于修改了我们的视频了。所以需要按照PTS去调整。怎么调整呢?

首先看接受到的视频流(帧类型)这一行。这一行对应的原始的,根据这一行的帧类型,去需要帧类型对应的帧序号,也就得到了对应的PTS这一行的数据。

那么最后,对应的PTS这个数据去调整DTS,也就得到了调整后的DTS。这整一个过程有点绕,大家看不懂的话,慢慢的多看几遍就能理解了。

原文地址:https://juejin.cn/post/7081936943025487903

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