数据压缩试验：H.264码流分析（一二部分）

• 第一部分：H.264码流分析
• • H.264介绍
  • • H.264码流
    • NAL
  • SPS
  • • 被分析文件的SPS读取
  • PPS
  • • 被分析文件中的PPS信息的读取
• 文件GOP分析
• • 单帧分析
  • I帧
  • B帧
  • P帧分析

第一部分：H.264码流分析

H.264介绍

H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）提出的高度压缩数字视频编解码器标准。这个标准通常被称之为H.264/AVC（或者AVC/H.264或者H.264/MPEG-4 AVC或MPEG-4/H.264 AVC）。

H.264码流

结构：由一个接一个的 NALU 组成的，而它的功能分为两层，VCL(视频编码层)和 NAL(网络提取层).
VCL：包括核心压缩引擎和块，宏块和片的语法级别定义，设计目标是尽可能地独立于网络进行高效的编码。
NAL：负责将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，覆盖了所有片级以上的语法级别。

下面我们分别对两个部分进行说明。

NAL

在 VCL 数据传输或存储之前，这些编码的 VCL 数据，先被映射或封装进 NAL 单元(以下简称 NALU，Nal Unit) 中。每个 NALU 包括一个原始字节序列负荷(RBSP, Raw Byte Sequence Payload)、一组 对应于视频编码的 NALU 头部信息。RBSP 的基本结构是:在原始编码数据的后面填加了结尾 比特。一个 bit“1”若干比特“0”，以便字节对齐。
NAL解码单元的流程：

下面我们来看一看NAL Header有什么：

占一个字节，由三部分组成forbidden_bit(1bit)，nal_reference_bit(2bits)（优先级），nal_unit_type(5bits)(类型)。forbidden_bit:禁止位。
nal_reference_bit：当前NAL的优先级，值越大，该NAL越重要。
nal_unit_type ：NAL类型。参见下表：

sps.pps的获取：
获取pps和sps
pps及sps不能从packet获得，而是保存在AVCodecContext的extradata数据域中。
一般情况下，extradata中包含一个sps、一个pps 的nalu。
分析后的sps及pps依然储存在extradata域中，并添加了起始符。
我们以实际文件进行分析：
这里我们使用Sublime Text打开一个h.264编码的mp4文件作如下观察：文件名为envivo

SPS

对于H.264而言，每帧的界定符为00 00 00 01 或者00 00 01。
帧类型有：
NAL_SLICE = 1 非关键帧
NAL_SLICE_DPA = 2
NAL_SLICE_DPB = 3
NAL_SLICE_DPC =4
NAL_SLICE_IDR =5 关键帧
NAL_SEI = 6
NAL_SPS = 7 SPS帧
NAL_PPS = 8 PPS帧
NAL_AUD = 9
NAL_FILLER = 12
从H.264协议文档中可以看出视频宽高涉及到的参数有：pic_width_in_mbs_minus1 pic_height_in_map_units_minus1
宽高可从SPS字段计算得到，公式如下：
Width = (pic_width_in_mbs_minus1+1)16;
Height = (pic_height_in_map_units_minus1+1)16;

被分析文件的SPS读取

点开SPS在右边的分析框架可以见到：

这个分析器我找了好久。有需要可以联系我。
我们还可以获得该图像的视频的采样格式：在这里：

这个chroma_format_idc的意思就是表示他是4:2:0采样的。
剩下的参数我们可以通过这个书中查找参数得到：

以上图片数据来自ITU-T H.264建议书。

PPS

除了序列参数集SPS之外，H.264中另一重要的参数集合为图像参数集Picture Paramater
Set(PPS)。通常情况下，PPS类似于SPS，在H.264的裸码流中单独保存在一个NAL Unit中，只是PPS NAL
Unit的nal_unit_type值为8；而在封装格式中，PPS通常与SPS一起，保存在视频文件的文件头中。

在H.264的协议文档中，PPS的结构定义在7.3.2.2节中，具体的结构如下表所示：

被分析文件中的PPS信息的读取

我们仍然用上述文件分析器打开PPS部分：

该文件只有一个PPS。从该PPS中，我们可以看出每一帧编码所用的一些信息：
该视频每一帧编码形式：
编码形式： CABAC（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding）
基于上下文的自适应二进制算术编码
slice group：所有slice属于一个
支持帧间预测

文件GOP分析

单帧分析

我们用分析软件ESEYE来进行分析：

再看一看所有的：

可以看出，编码出的比特率分布是非常不均的，这势必会为未来的固定网络带宽传输带来一定的影响。
可以看到运动矢量：这里选取的不是第一个i帧，而是随便的一帧。

可以把信息导入到csv文件中：

I帧

第一帧是I帧：
我们通过find按钮找到第一帧：输入0。

这里我们可以看见，其中量化黄色的圆圈比特数更高一点。

可以看到该帧的信息。
接下来我们看一下分区信息：
Partitions打开：

可以看出，该I帧没有使用到帧间编码，该帧完全使用了帧内编码。
除此以外，由于该帧没有前参考帧，没有使用到运动矢量。我们打开运动矢量按钮，和之前没有变化。

B帧

视频的第二帧为B帧。我们知道，B帧的数据量是I、B、P三种数据类型中相对尺寸最小的一种类型，这是因为它支持帧间预测（包括了前向预测、后向预测和前向及后向预测）和帧内预测，以支持最大程度降低数据量。在该帧中，有红色、蓝色、黄色三种编码类型。黄色是B_skip块。它代表了这一帧的数据内容与前一帧相同，跳过不编码。可以看到黄色的Macro Block所占用bit数为0bit，只需要提前使用一些比特进行说明就行。

P帧分析

图像的第五帧是P帧。（在编码时，是按照IPBBB的顺序进行编码，然后进行帧重排）

可以看到运动矢量图：

人物向前走，景物向后退。
矢量十分精准。

标签：码流,编码,H.264,分析,SPS,NAL,PPS,数据压缩
来源： https://blog.csdn.net/sendhoh/article/details/118503543