H264原始码流格式分析

1.H264码流结构组成

H.264裸码流（Raw Bitstream）数据主要由一系列的NALU（网络抽象层单元）组成。每个NALU包含一个NAL头和一个RBSP（原始字节序列载荷）。

1.1 H.264码流层次

H.264码流的结构可以分为两个层次：VCL（视频编码层）和NAL（网络抽象层）。下图为H.264码流中的层次图：

VCL层：负责对视频的原始数据进行压缩。VCL数据编码器直接输出的原始数据比特串（SODB），表示图像被压缩后的编码比特流。

• SODB：生成压缩原始的图像编码数据比特串。
• 编码图像：宏块进行的帧内编码/帧间编码/熵编码等处理。

NAL层：负责将VCL数据封装成NAL单元（NALU），并在网络上传输或存储到磁盘上。每个NAL单元之前需要添加StartCodePrefix，形成H.264码流。NAL层还处理拆包和组包的工作，以适应网络传输的最大传输单元（通常为1500字节）。

1.2 NALU网络层组成

一个NALU由两个主要部分组成：

• 头部（Header）：

  NALU的头部包含了关于该单元的一些元数据信息，例如NAL单元类型（如序列参数集、图像参数集、帧数据单元等），NALU的优先级、参考帧标识、重要性指示等。头部的信息有助于解码器正确解析和处理每个NAL单元。

• 载荷（Payload）：

  NALU的载荷部分包含了实际的编码数据。这些数据可以是帧的视频数据、补充增强信息或其他特定于编码标准的数据。在视频解码过程中，解码器通过解析头部信息来识别NALU的类型，并且根据类型和载荷数据进行相应的解码和处理。

在H.264/AVC中，定义了多种NALU的类型，以适应不同的应用场景。常见的类型包括：

帧内预测（I）片：仅使用当前帧的信息进行编码。

预测（P）片：使用前一帧的信息进行编码。

双向预测（B）片：使用前一帧和后一帧的信息进行编码。

1.3 序列参数集SPS

序列参数集（Sequence Parameter Set，SPS）包含了描述视频序列全局参数的信息，这些参数对于解码器正确解码视频流至关重要。以下是SPS的一些主要内容和结构：

1. profile_idc：标识H.264码流的profile，例如Baseline、Main、High等。
2. level_idc：标识码流的Level，定义了最大分辨率、最大帧率等参数。
3. seq_parameter_set_id：序列参数集的ID，用于标识不同的SPS。
4. log2_max_frame_num_minus4：用于计算frame_num的最大值，frame_num标识图像的解码顺序。
5. pic_order_cnt_type：指明图像播放顺序的编码方法。
6. log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4：用于计算POC（Picture Order Count）的最大值。
7. max_num_ref_frames：指定参考帧队列的最大长度。
8. gaps_in_frame_num_value_allowed_flag：指示是否允许frame_num不连续。
9. pic_width_in_mbs_minus1：图像宽度，以宏块为单位。
10. pic_height_in_map_units_minus1：图像高度，以宏块为单位。

SPS中的信息对于解码器初始化和正确解码视频流至关重要。如果SPS数据丢失或损坏，解码器可能无法正确解码视频。

1.4 图像参数集PPS

图像参数集（Picture Parameter Set，PPS）包含了与单个图像编码相关的参数，这些参数用于控制图像的编码方式。以下是PPS的一些主要内容和结构：

1. pic_parameter_set_id：当前PPS的唯一ID，取值范围为0-255。
2. seq_parameter_set_id：指明该PPS对应的SPS（序列参数集）ID。
3. entropy_coding_mode_flag：表示使用的熵编码类型，0为CAVLC，1为CABAC。
4. num_slice_groups_minus1：表示slice group的数量，通常为0。
5. num_ref_idx_l0_default_active_minus1和num_ref_idx_l1_default_active_minus1：表示P/B slice的前向和后向参考帧的最大个数减1。
6. weighted_pred_flag：表示P slice的预测权重方式，0为默认预测权重，1为显式方式。
7. weighted_bipred_flag：表示B slice的预测权重方式，0为默认预测权重，1为显式方式，2为隐式方式。
8. pic_init_qp_minus26：用于计算Y分量的初始QP值。
9. chroma_qp_index_offset：表示Cb分量QP相对于slice QP的偏移量。
10. deblocking_filter_control_present_flag：表示是否存在去块效应滤波器的控制语法元素。
11. constrained_intra_pred_flag：表示帧内预测方式是否存在限制条件。
12. transform_8x8_mode_flag：表示是否使用8x8大小的DCT变换方式。
13. pic_scaling_matrix_present_flag：表示量化参数矩阵是否存在。
14. second_chroma_qp_index_offset：表示Cr分量QP相对于slice QP的偏移量。

PPS中的信息对于解码器正确解码视频流至关重要。PPS通常紧跟在SPS之后，并且可以有多个，因为不同的slice group可能有不同的参数设置。

2.常用的两种NALU格式

2.1 AnnexB

AnnexB是一种常见的NALU（网络抽象层单元）封装格式，主要用于H.264和H.265视频编码标准。AnnexB格式的基本结构如下：

[开始代码] [NALU单元] [开始代码] [NALU单元] ...

每个NALU单元由一个开始代码和随后的原始字节数据组成，通过分隔符0x00 00 00 01或者0x00 00 01区分不同的NALU单元。如果在RBSP（原始字节流载荷）中出现了0x000000、0x000001、0x000002或0x000003这样的序列，就需要插入一个0x03字节来避免这些序列被误识别。例如，将0x000001变成0x00000301，这样在解码时可以去除0x03字节，恢复原始数据。这种方法确保了数据的完整性和正确解码。例如：

• 原始数据：0x000001 插入“模拟预防”字节后：0x00000301 解码时去除0x03字节，恢复为：0x000001

• 原始数据：0x000000 插入“模拟预防”字节后：0x00000300 解码时去除0x03字节，恢复为：0x000000

• 原始数据：0x000002 插入“模拟预防”字节后：0x00000302 解码时去除0x03字节，恢复为：0x000002

• 原始数据：0x000003 插入“模拟预防”字节后：0x00000303 解码时去除0x03字节，恢复为：0x000003

如果插入的数据本身包含了“模拟预防”字节（例如0x00000301），编码器会将其转义为0x0000030301。

2.2 AVCC

AVCC（AVC Configuration）格式是一种用于存储和传输H.264视频流的格式，通常用于MP4、MKV等容器中。与Annex B格式不同，AVCC格式不使用起始码（start code）来分隔NALU（网络抽象层单元），而是使用NALU长度前缀。

AVCC格式结构：

1. 头部信息（extradata）：
   • 包含SPS（序列参数集）和PPS（图像参数集）等参数信息。
   • 头部信息的格式如下：
     • 第1字节：版本号（通常为0x01）
     • 第2字节：AVC Profile（与第一个SPS的第2字节相同）
     • 第3字节：AVC Compatibility（与第一个SPS的第3字节相同）
     • 第4字节：AVC Level（与第一个SPS的第4字节相同）
     • 第5字节：保留位（前6位全1），后2位表示NALU长度字段的字节数减1（通常为3，即4字节）
     • 第6字节：保留位（前3位全1），后5位表示SPS的个数（通常为1）
     • 后续字节：SPS数据（包括16位SPS长度和SPS NALU数据）
     • PPS数据（包括16位PPS长度和PPS NALU数据）
2. NALU数据：
   • 每个NALU前面都有一个长度前缀（通常为4字节），表示该NALU的长度。
   • NALU数据不包含起始码。

假设有一个NALU数据为0x65 88 84 21，其长度为4字节。在AVCC格式中，这个NALU会被存储为：

0x00 00 00 04 65 88 84 21

其中，0x00 00 00 04表示NALU的长度为4字节，后面的65 88 84 21是实际的NALU数据。

在解析AVCC格式时，需要先读取头部信息（extradata），然后根据NALU长度前缀来提取每个NALU的数据。

2.3 AnnexB和AVCC的优缺点

Annex B和AVCC是H.264视频编码中常见的两种NALU（网络抽象层单元）封装格式。它们各有优缺点，适用于不同的应用场景。以下是它们的优劣之处：

选择建议

• 实时流媒体传输：推荐使用Annex B格式，因其简单直接，便于实时解析和同步。
• 文件存储和传输：推荐使用AVCC格式，因其高效存储和灵活性，适合在不同平台和设备之间传输和存储。

3.码流中的重要参数

3.1 量化参数（QP值）

QP（Quantization Parameter，量化参数）是H.264视频编码中用于控制视频压缩的质量和比特率。QP值直接影响视频的量化步长（Qstep），从而影响视频的压缩程度和图像质量。QP值的作用：

1. 控制压缩质量：QP值越小，量化越精细，保留的图像细节越多，视频质量越高，但比特率也越高。相反，QP值越大，量化越粗糙，丢失的细节越多，视频质量下降，但比特率降低。
2. 调节比特率：通过调整QP值，可以在视频质量和比特率之间找到一个平衡点，以满足不同的应用需求。

QP值的范围，在H.264标准中，QP值的取值范围为0到51：

• QP = 0：量化最精细，视频质量最高，比特率最大。
• QP = 51：量化最粗糙，视频质量最低，比特率最小。

假设你有一个视频片段，使用不同的QP值进行编码：

• QP = 20：视频质量较高，细节保留较多，但比特率较高。
• QP = 40：视频质量较低，细节丢失较多，但比特率较低。

QP值与量化步长（Qstep）之间存在一个对数关系。具体来说，QP每增加6，Qstep大约增加一倍。这个关系使得编码器可以在不同的QP值下灵活调整视频的压缩程度。

• 低QP值：适用于需要高质量视频的场景，如高清电影、专业视频制作。
• 高QP值：适用于对比特率要求较高的场景，如实时视频传输、低带宽环境。

3.2 码率

码率（Bitrate）是指单位时间内传输的数据量，通常以kbps（千比特每秒）或Mbps（兆比特每秒）为单位。码率在视频和音频编码中起着至关重要的作用，直接影响到文件的质量和大小。

1. 视频质量：码率越高，视频质量越好，因为更多的数据可以用来表示图像细节。反之，码率越低，视频质量越差。
2. 文件大小：码率越高，文件大小越大。对于同一段视频，较高的码率会导致更大的文件。
3. 传输效率：在流媒体传输中，码率决定了视频流的带宽需求。较高的码率需要更高的网络带宽。

码率的基本计算公式为：

码率 (kbps)=\frac{文件大小 (KB)×8}{时间 (秒)}

码率控制模式：

1. 恒定码率（CBR）：码率在整个视频中保持恒定，适用于带宽稳定的环境。
2. 可变码率（VBR）：码率根据视频内容的复杂度动态调整，通常在保证质量的同时节省带宽。
3. 平均码率（ABR）：在指定的文件大小内，动态调整码率以平衡质量和文件大小。

假设一个视频文件大小为500MB，时长为10分钟（600秒），其码率计算如下：

码率 (kbps)=\frac{500×1024×8}{600}≈6826.67 kbps

如何选择合适的码率？

• 高质量需求：如高清电影、专业视频制作，建议使用较高的码率。
• 实时传输：如视频会议、直播，建议使用适中的码率以平衡质量和带宽需求。
• 低带宽环境：如移动网络，建议使用较低的码率以减少缓冲和卡顿。