H.264及编解码调试
H.264及编解码调试
H.264是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)在2002年12月共同提出的继MPEG-4之后的新一代数字视频压缩格式,其具有更高的编码效率,并注重对移动和IP网络的适应,考虑信道的特点,能控制误码扩散。
本文将简单介绍H.264编码的原理,并使用JM 18.61进行编解码器的调试。
一. H.264简介
1. H.264的特点2
- 压缩比高:在同等图像质量的条件下,采用H.264技术压缩后的码流,数据量只有MPEG-2的1/2;
- 容错率高:H.264码流具有较强的抗误码特性,可适应丢包率高、干扰严重的信道,如IP和无线网络;
- 网络适应性强:H.264提供了网络适应层,使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输;
- 计算复杂度高:H.264使用较高的计算复杂度,换取优越的性能,其复杂度相当于MPEG-2的2—3倍。
2. H.264编解码器
H.264编码器结构与前代MPEG-2标准差别不大,均主要采用变换编码、DPCM与运动补偿的混合结构。编解码器的结构如图1-1所示。
3. H.264采用的先进技术
(1) 分层设计
H.264在视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)之间进行概念分割,以实现在不同的传输环境下的有效传输,便于与当前和将来的编码格式和不同类型的网络进行无缝连接。分层结构如图1-2所示。
(2) 帧内预测编码
根据邻近块的值来预测当前宏块的值,再对预测值和原始值的差值进行变换、量化和编码。对于亮度块,使用4×4与16×16编码模式,对色度块采用8×8编码模式。
以亮度块的4×4帧内预测模式为例,由周围的15个像素预测4×4的16个像素,共有9种预测模式,分别计算各自的SAE,以最小者作为该块的预测模式。
(3) 帧间预测编码——基于块的运动补偿
- 树状结构运动补偿:使用不同大小和形状的块进行运动补偿(低频区域使用大块,高频区域使用小块);
- 使用1/4像素精度运动矢量
- 在多个参考帧中进行运动搜索,选择一个与编码帧最相似的帧作为参考帧
- 引入SI帧和SP帧:适应码流带宽自适应和抗误码的要求,改善网络亲和性,支持流媒体服务
(4) 整数变换
使用整数DCT代替MPEG-2中的DCT,保证变换中无精度损失,且标准中对正反变换有详细说明,不会出现误匹配。另外,整数变换仅需要移位和加法,最大程度提高运算效率。
(5) 量化处理
H.264标准支持52个量化步长,量化参数QP每增加6,量化步长Qstep增加一倍。量化步长取值范围很广,这就为编码中兼顾比特率和编码质量提供了足够多的灵活度和准确度。
(6) 去块效应滤波
为消除块效应,H.264编码系统的预测环路中增加了自适应去块效应滤波器。
(7) 熵编码
H.264标准中给出了两种熵编码方法:CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding,基于上下文的自适应可变长编码)和CABAC(Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding,基于上下文的自适应二进制算术编码),其中前者为基本编码方法,后者可选编码方法,且后者的编码性能相较于前者较好,但计算复杂度更高。
4. 概念说明
为了便于理解后面JM编码器的相关内容,这里将MPEG-2中包含的、但在H.264中略有区别的一些概念再做一下说明。
(1) 视频编码帧
- I帧(Intra Frame,帧内编码帧):只使用本阵内的数据进行编码(DCT、量化、熵编码),压缩比较低,约为(2—5):1。此外还有IDR帧(Instantaneous Decoding Refresh Frame),是GOP的第一个I帧(一种特殊的I帧)。IDR帧之后的所有帧都不能参考IDR帧之前帧的内容(而位于普通的I帧之后的P/B帧可以参考其之前的I帧),也就是说,从IDR帧开始,重新算一个新的序列开始编码,因而播放器永远可以从一个IDR帧开始播放,因为在其之后没有对于任何其之前帧的参考。3
- P帧(Predictive Frame,前向预测编码帧):以前面最靠近的I帧或P帧作为参考进行前向预测编码。
- B帧(Bidirectional Predictive Frame,双向预测编码帧):以一个前面的参考帧和一个后面的参考帧进行双向预测编码。2
(2) GOP
GOP(Group of Pictures,图像组)是将一个图像序列中连续的几个图像组成的一个小组,是对编码后的视频码流进行编辑、存取和压缩编码的基本单元,包含不同种类编码的帧。2
GOP大小不固定,但GOP一定以I帧开始,但每个GOP可能包含多个I帧。
增大GOP或提高GOP中P/B帧的占比,可以提高压缩比,降低码率。因此一般而言,在码率一定的条件下,GOP越大,图像质量越好(P/B帧的比重更大);在图像质量一定的条件下,GOP越大,码率越低。
闭合GOP(Closed GOP)与开放GOP(Open GOP):在H.264的GOP中,所有的GOP都是独立解码的,与其他GOP无关,即它们都是“闭合”的。但是在HEVC中,GOP的结构发生了变化,采用了“开放”的结构,在解码过程过可能会参考其他GOP的数据。4
(3) 帧重排
由于B帧是双向预测帧,因此在后向预测时,需要以其后面的P或I帧作为参考,因此需要将原始图像顺序重新排序后送入编码器2,如图1-5所示。(图1-4表示的是播放顺序。)
二. H.264解码器调试
在ldecod项目中,打开decoder_test.c
,可以修改输入和输出文件名,如:
#define BITSTREAM_FILENAME "highway_qcif.264"
#define DECRECON_FILENAME "highway_qcif_dec.yuv"
即可将.264文件解码为.yuv文件。
三. H.264编码
1. 编码参数
部分需要调整的编码参数的含义如下表所示。
行 | 参数 | 含义 | 取值 |
---|---|---|---|
13/56/57 | InputFile /OutputFile /ReconFile |
输入文件/ 输出文件(.264)/ 重建文件(.yuv) |
|
30/31/ 33/34 |
SourceWidth /SourceHight /OutputWidth /OutputHeight |
输入、输入视频序列的宽、高 | |
16 | FramesToBeEncoded |
编码帧数 | |
72 | IntraPeriod |
GOP内I帧的周期 | 0表示仅GOP的第一帧为I帧 |
73 | IDRPeriod |
IDR帧的周期,表示GOP长度 | 0表示仅GOP的第一帧为I帧 |
77 | EnableIDRGOP |
是否允许IDR帧 | 0为禁用,1为允许 |
78 | EnableOpenGOP |
是否允许开放GOP | 0为禁用,1为允许 |
180 | NumberBFrames |
两个I/P帧之间B帧的数目 | |
347 | PrimaryGOPLength |
GOP length for redundant allocation (1-16) | |
444 | RateControlEnable |
是否允许比特率控制 | 0为禁用,1为允许 |
445 | Bitrate |
比特率(单位:bps) | |
453 | RCUpdateMode |
全I帧模式适用模式1,其他情况适用模式2或3,本实验选择2 | 0:原始的JM率控制; 1:对所有帧都适用的码率控制算法; 2:在1的基础上考虑到I/P Slices的量化参数; 3: 混合二次码率控制算法,即在控制过程中考虑到实时的码率情况 |
有关IntraPeriod
、IDRPeriod
、NumberBFrames
、PrimaryGOPLength
之间的优先级关系:
IDRPeriod
决定了GOP的长度,而IntraPeriod
只决定了GOP内两个I帧之间的距离,因而后者小于前者(若后者大于等于前者,则均相当于IntraPeriod
= 0)。故优先级:IDRPeriod
>IntraPeriod
;NumberBFrames
决定了两个I/P帧之间的B帧数量,但只有在NumberBFrames
≤IntraPeriod
时才有效,即优先级:IntraPeriod
>NumberBFrames
;PrimaryGOPLength
一般设置为与IDRPeriod
相同;即便不相同,也不对码流产生影响。故优先级:IDRPeriod
>PrimaryGOPLength
以上结论可以通过与下面的例子结合理解(NumberBFrames
均设为2):
# | IntraPeriod |
IDRPeriod |
PrimaryGOPLength |
GOP | 备注 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 0 | 15 | 15 | IBBPBBPBBPBBPBP |
|
2 | 11 | 15 | 15 | IBBPBBPBBPBIBBP |
|
3 | 18 | 15 | 15 | IBBPBBPBBPBBPBP |
与1结果相同 |
4 | 2 | 15 | 15 | IBIBIBIBIBIBIBI |
|
5 | 11 | 15 | 12 | IBBPBBPBBPBIBBP |
与2结果相同 |
2. 编码器调试
在下面的实验中,我们均设定IntraPeriod
= 0,PrimaryGOPLength
= IDRPeriod
,以控制变量。
分别选择比特率为1600、1650、1700、1750、1800 kbps,再对每一比特率分别设置GOP格式为GOP15(2B)、GOP12(2B)、GOP9(2B)、GOP4(1B)、GOP12(无B)和GOP1(全I)进行编码。
运行lencode项目,对miss.yuv进行编码,运行结果如下:
以GOP12(0B)@1800 kbps的情况为例,从表格中可以看到GOP大小为12,并且可以看到帧重排。
四. 结果分析
1. 码流分析
下面使用Elecard StreamEye Tools码流分析软件对编码后的内容进行分析。
以GOP15(2B)的情况为例:
图中每个矩形代表一帧(红、蓝、绿分别表示I、P、B帧),我们可以清楚地看出编码后视频的码流结构并且可以看到有帧重排(显示顺序为IBBPBBPBBPBBPBP)。
下面我们以其中的4帧(I、B、B、P)进行分析。
我们在预览中打开显示宏块分界线、宏块类型和运动矢量。
画面中,红色、橙色宏块均使用帧内编码(宏块大小略有不同);黄色宏块类型为Inter(B_Skip),表示与前一帧相同,跳过不编码;绿色宏块使用前向预测编码,蓝色宏块使用双向预测编码。
在图4-2中,我们可以看到:
- 4帧的背景部分变化均很小,因而背景部分均没有进行编码;
- B、P帧中可看到运动矢量。红色线表示前向预测,绿色线表示后向预测,因此P帧中只有红色线,I帧使用帧内编码,无运动矢量;
- 通过宏块分界线我们还可以看到H.264中不同形状、不同大小的宏块,且在低频区域的宏块更大。这也是前面提到的H.264采用的先进技术之一。
2. 视频质量客观评价
下面我们对前面编码得到的6中GOP结构的5种比特率的H.264文件进行视频质量客观评价,评价指标采用Y分量的PSNR (dB)。由于编码后H.264文件的实际比特率与目标比特率之间有一定误差,因此我们以实际比特率进行率失真曲线的绘制。
从图中可以看到,在码率相同的前提下,视频质量由好到差为:GOP12 (0B) > GOP15 (2B) > GOP12 (2B) > GOP9 (2B) > GOP4 (1B) > GOP1 (all-I)。
下表中列出了6中GOP结构各自的I、P、B帧的占比。例如我们可以比较GOP15(2B)和GOP12(2B),二者P帧占比相同,而前者的B帧占比更大,因而具有更好的图像质量。视频质量相同的前提下,可以进行类比分析,这里不再赘述。
GOP结构 | I帧占比 | P帧占比 | B帧占比 | 视频质量排序 | |
---|---|---|---|---|---|
GOP12 (0B) | IPPPPPPPPPPP |
8.3% | 91.7% | 0% | 1 |
GOP15 (2B) | IBBPBBPBBPBBPBP |
6.7% | 33.3% | 60% | 2 |
GOP12 (2B) | IBBPBBPBBPBP |
8.3% | 33.3% | 58.3% | 3 |
GOP9 (2B) | IBBPBBPBP |
11.1% | 55.5% | 55.5% | 4 |
GOP4 (1B) | IBPP |
25% | 25% | 50% | 5 |
GOP1 (all-I) | I |
100% | 0% | 0% | 6 |
3. 视频质量主观评价
由于我们无法得到实际码率严格相等的一组H.264码流,因此我们只能在同一种GOP结构下进行不同码率的主观评价。以GOP12(2B)为例:
事实上,由于相邻两张之间码率只相差大约500 kbps,因此很难看出有差别,即便是最高和最低码率之间的对比,也几乎无差异。
参考资料
Karsten Suehring ↩︎
《数字电视广播原理与应用》 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
I帧 B帧 P帧 IDR帧的区别 ↩︎
【HEVC学习与研究】8.关于GOP与RAP的一些解释] ↩︎
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让我简单的为大家介绍一下原型对象prototype吧! 使用原型实现方法共享 1.构造函数通过原型分配的函数是所有对象所 共享的。 2.JavaScript 规定,每一个构造函数都有一个 prototype 属性,指向另一个对象,所以我们也称为原型对象…...
2024/5/9 16:54:42 - C++中只能有一个实例的单例类
C中只能有一个实例的单例类 前面讨论的 President 类很不错,但存在一个缺陷:无法禁止通过实例化多个对象来创建多名总统: President One, Two, Three; 由于复制构造函数是私有的,其中每个对象都是不可复制的,但您的目…...
2024/5/10 1:31:37 - python django 小程序图书借阅源码
开发工具: PyCharm,mysql5.7,微信开发者工具 技术说明: python django html 小程序 功能介绍: 用户端: 登录注册(含授权登录) 首页显示搜索图书,轮播图࿰…...
2024/5/9 6:36:49 - 电子学会C/C++编程等级考试2022年03月(一级)真题解析
C/C++等级考试(1~8级)全部真题・点这里 第1题:双精度浮点数的输入输出 输入一个双精度浮点数,保留8位小数,输出这个浮点数。 时间限制:1000 内存限制:65536输入 只有一行,一个双精度浮点数。输出 一行,保留8位小数的浮点数。样例输入 3.1415926535798932样例输出 3.1…...
2024/5/9 4:33:29 - 配置失败还原请勿关闭计算机,电脑开机屏幕上面显示,配置失败还原更改 请勿关闭计算机 开不了机 这个问题怎么办...
解析如下:1、长按电脑电源键直至关机,然后再按一次电源健重启电脑,按F8健进入安全模式2、安全模式下进入Windows系统桌面后,按住“winR”打开运行窗口,输入“services.msc”打开服务设置3、在服务界面,选中…...
2022/11/19 21:17:18 - 错误使用 reshape要执行 RESHAPE,请勿更改元素数目。
%读入6幅图像(每一幅图像的大小是564*564) f1 imread(WashingtonDC_Band1_564.tif); subplot(3,2,1),imshow(f1); f2 imread(WashingtonDC_Band2_564.tif); subplot(3,2,2),imshow(f2); f3 imread(WashingtonDC_Band3_564.tif); subplot(3,2,3),imsho…...
2022/11/19 21:17:16 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机...
win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”问题的解决方法在win7系统关机时如果有升级系统的或者其他需要会直接进入一个 等待界面,在等待界面中我们需要等待操作结束才能关机,虽然这比较麻烦,但是对系统进行配置和升级…...
2022/11/19 21:17:15 - 台式电脑显示配置100%请勿关闭计算机,“准备配置windows 请勿关闭计算机”的解决方法...
有不少用户在重装Win7系统或更新系统后会遇到“准备配置windows,请勿关闭计算机”的提示,要过很久才能进入系统,有的用户甚至几个小时也无法进入,下面就教大家这个问题的解决方法。第一种方法:我们首先在左下角的“开始…...
2022/11/19 21:17:14 - win7 正在配置 请勿关闭计算机,怎么办Win7开机显示正在配置Windows Update请勿关机...
置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题,电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update,请勿关机”(如下图所示),而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢?一切都是正常操作的,为什么开时机呈现“正…...
2022/11/19 21:17:13 - 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...
Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示,没过几秒后电脑自动重启,每次开机都这样无法进入系统,此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一:开机按下F8,在出现的Windows高级启动选…...
2022/11/19 21:17:12 - 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...
有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况,就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机,碰到这样的问题该怎么解决呢,现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法:1、2、依次…...
2022/11/19 21:17:11 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...
今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后,每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面,提示请勿关闭计算机”,每次停留好几分钟才能正常关机,导致什么情况引起的呢?出现配置Windows Update…...
2022/11/19 21:17:10 - 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...
只能是等着,别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚,只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一:管理员运行cmd:net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...
2022/11/19 21:17:09 - 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?
原标题:电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢?一般的方…...
2022/11/19 21:17:08 - 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...
关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!关机提示 windows7 正在配…...
2022/11/19 21:17:05 - 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...
钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...
2022/11/19 21:17:05 - 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...
前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了,具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面,长时间没反应,无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过,网上搜了不少资料&#x…...
2022/11/19 21:17:04 - 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...
本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法,并在最后教给你1种保护系统安全的好方法,一起来看看!电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中,添加了1个新功能在“磁…...
2022/11/19 21:17:03 - 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...
许多用户在长期不使用电脑的时候,开启电脑发现电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢?下面小编就带着大家一起看看吧!如果能够正常进入系统,建议您暂时移…...
2022/11/19 21:17:02 - 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...
配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...
2022/11/19 21:17:01 - 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...
不知道大家有没有遇到过这样的一个问题,就是我们的win7系统在关机的时候,总是喜欢显示“准备配置windows,请勿关机”这样的一个页面,没有什么大碍,但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机,非常…...
2022/11/19 21:17:00 - 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...
当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时,一般是您正对windows进行升级,但是这个要是长时间没有反应,我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了,来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...
2022/11/19 21:16:59 - 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...
我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况,当我们打开电脑之后,发现一直停留在一个界面:“配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机”,等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢࿰…...
2022/11/19 21:16:58 - 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”
Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...
2022/11/19 21:16:57