前言：
大家晚上好，今天给大家分享一篇技术文章，废话不多说，咋们直接“起飞”吧，哈哈哈！
一、H264简介：
H.264从1999年开始，到2003年形成草案，最后在2007年定稿有待核实。在ITU的标准⾥称 为H.264，在MPEG的标准⾥是MPEG-4的⼀个组成部分–MPEG-4 Part 10，⼜叫Advanced Video Codec，因此常常称为MPEG-4 AVC或直接叫AVC：
二、H264编码原理：
在⾳视频传输过程中，视频⽂件的传输是⼀个极⼤的问题；⼀段分辨率为19201080，每个像 素点为RGB占⽤3个字节，帧率是25的视频，对于传输带宽的要求是：19201080325/1024/1024=148.315MB/s，换成bps则意味着视频每秒带宽为 1186.523Mbps，这样的速率对于⽹络存储是不可接受的。因此视频压缩和编码技术应运⽽ ⽣。
这里普及基本知识哈：
- Mbps(Million bits per second)即“传输速率”，也叫“带宽”，咋们去营业厅开网线的时候会问你办几兆的宽带，那么这里说的“几兆的宽带”就是指多少Mbps，但是Mbps和MB/s是怎么换算的呢？
- 8Mbps=1MB/s；8Mbps换算成下载速度就是1MB/s，不过由于种种限制，实际情况中8M的宽带往往达不到1MB/s的下载速度，能达到800KB/s以上算是正常情况；所以上面计算的结果每秒带宽为 1186.523Mbps是这样来的：1Mbps代表每秒传输1,000,000位，即每秒传输1,000,000/8=125,000字节=125KB=0.125MB。148.315 / 0.125 = 1186.523
对于视频⽂件来说，视频由单张图⽚帧所组成，⽐如每秒25帧，但是图⽚帧的像素块之间存在 相似性，因此视频帧图像可以进⾏图像压缩；H264采⽤了16*16的分块⼤⼩对，视频帧图像 进⾏相似⽐较和压缩编码。如下图所示(这里涉及到空间压缩和帧间压缩不做详细介绍！)：
三、H264中I帧、P帧、B帧：
这块知识介绍在之前的文章里面有介绍，为了知识的完整性，今天这里再次介绍一下。
H264使⽤帧内压缩和帧间压缩的⽅式提⾼编码压缩率；H264采⽤了独特的I帧、P帧和B帧策略 来实现，连续帧之间的压缩：
帧的分类 | 中文 | 意义 |
|---|---|---|
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)的第一帧，经过适度地压缩，做为随机访问的参考点，可以当成图像。I帧可以看成是一个图像经过压缩后的产物。⾃身可以通过视频解压算法解压成⼀张单独的完整的图⽚。 |
P帧 | 前向预测编码帧（predictive-frame） | 通过充分将低于图像序列中前⾯已编码帧的时间冗余信息来 压缩传输数据量的编码图像，也叫预测帧。需要参考其前⾯的⼀个I frame 或者P frame来⽣成⼀张完整 的图⽚。 |
B帧 | 双向预测帧(bi-directional interpolated prediction frame) | 既考虑与源图像序列前⾯已编码帧，也顾及源图像序列后⾯ 已编码帧之间的时间冗余信息来压缩传输数据量的编码图像, 也叫双向预测帧。则要参考其前⼀个I或者P帧及其后⾯的⼀个P帧来⽣成⼀张完 整的图⽚。 |
总结：我们从上面的介绍可以发现，他们的压缩效率为：
- 压缩率大小：B > P > I
补充说明：
I帧:帧内编码帧 ，I帧表示关键帧，你可以理解为这⼀帧画⾯的完整保留；解码时只需要本帧数 据就可以完成（因为包含完整画⾯）。它的特点：
- 1、它是⼀个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进⾏JPEG压缩编码及传输。
- 2、解码时仅⽤I帧的数据就可重构完整图像。
- 3、I帧描述了图像背景和运动主体的详情。
- 4、I帧不需要参考其他画⾯⽽⽣成。
- 5、I帧是P帧和B帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量)。
- 6、 I帧是帧组GOP的基础帧(如果为IDR则为第⼀帧),在⼀组中只有⼀个IDR帧，⼀个或多个I 帧(包括IDR帧)。
- 7、I帧不需要考虑运动⽮量。
- 8、 I帧所占数据的信息量⽐较⼤。
P帧:前向预测编码帧。P帧表示的是这⼀帧跟之前的⼀个关键帧（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）。
P帧的预测与重构:P帧是以I帧为参考帧,在I帧中找出P帧“某点”的预测值和运动⽮量,取预测 差值和运动⽮量⼀起传送。在接收端根据运动⽮量从I帧中找出P帧“某点”的预测值并与差值 相加以得到P帧“某点”样值,从⽽可得到完整的P帧。它的特点：
- P帧是I帧后⾯相隔1~2帧的编码帧。
- P帧采⽤运动补偿的⽅法传送它与前⾯的I或P帧的差值及运动⽮量(预测误差)。
- 解码时必须将I帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的P帧图像。
- P帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前⾯最靠近它的I帧或P帧。
- P帧可以是其后⾯P帧的参考帧,也可以是其前后的B帧的参考帧。
- 由于P帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散。
- 由于是差值传送,P帧的压缩⽐较⾼。
B帧:双向预测内插编码帧。B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别（具 体⽐较复杂，有4种情况，但我这样说简单些），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会⽐较累。
B帧的预测与重构：B帧以前⾯的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。它的特点：
- 1）B帧是由前⾯的I或P帧和后⾯的P帧来进⾏预测的。
- 2）B帧传送的是它与前⾯的I或P帧和后⾯的P帧之间的预测误差及运动⽮量。
- 3）B帧是双向预测编码帧。
- 4）B帧压缩⽐最⾼,因为它只反映两参考帧间运动主体的变化情况,预测⽐较准确。
- 5）B帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散。
注意：
I、B、P各帧是根据压缩算法的需要，是⼈为定义的,它们都是实实在在的物理帧。⼀般来 说，I帧的压缩率是7（跟JPG差不多），P帧是20，B帧可以达到50。可⻅使⽤B帧能节省⼤量 空间，节省出来的空间可以⽤来保存多⼀些I帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质。
四、H264编码结构解析：
H264除了对视频压缩处理之外，为了方便网络传输，提供了对应的视频编码和分片策略；类似网络数据封装成IP帧，在H264中将其称为组(GOP,gruop of pictures)、片(slice)、宏块(Macroblock)这些一起组成了H264的码流分层结构；H264将其组织成为序列(GOP)、图片(pictrue)、片(slice)、宏块(Macroblock)、子块(subblock)等五个层次。
补充说明一下：
- 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。⼀个I帧所占⽤的字节数⼤于⼀个P帧，⼀个P 帧所占⽤的字节数⼤于⼀个B帧。
- 所以在码率不变的前提下，GOP值越⼤，P、B帧的数量会越多，平均每个I、P、B帧所占⽤的 字节数就越多，也就更容易获取较好的图像质量；Reference越⼤，B帧的数量越多，同理也 更容易获得较好的图像质量。
- 通过提⾼GOP值来提⾼图像质量是有限度的，在遇到场景切换的情况时， H.264编码器会⾃动强制插⼊⼀个I帧，此时实际的GOP值被缩短了。另⼀⽅⾯，在⼀个GOP 中，P、B帧是由I帧预测得到的，当I帧的图像质量⽐较差时，会影响到⼀个GOP中后续P、B 帧的图像质量，直到下⼀个GOP开始才有可能得以恢复，所以GOP值也不宜设置过⼤。同时，由于P、B帧的复杂度⼤于I帧，所以过多的P、B帧会影响编码效率，使编码效率降低。另外，过⻓的GOP还会影响Seek操作的响应速度，由于P、B帧是由前⾯的I或P帧预测得到 的，所以Seek操作需要直接定位，解码某⼀个P或B帧时，需要先解码得到本GOP内的I帧及之 前的N个预测帧才可以，GOP值越⻓，需要解码的预测帧就越多，seek响应的时间也越⻓。
GOP （图像组）主要⽤作形容⼀个IDR帧 到下⼀个IDR帧之间的间隔了多少个帧：
H264将视频分为连续的帧进⾏传输，在连续的帧之间使⽤I帧、P帧和B帧。同时对于帧内⽽ ⾔，将图像分块为⽚、宏块和字块进⾏分⽚传输；通过这个过程实现对视频⽂件的压缩包装。
这里简单介绍一下什么是IDR帧？IDR（Instantaneous Decoding Refresh，即时解码刷新）；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(不过I帧不一定是IDR帧哈！)。I和IDR帧都使⽤帧内预测。I帧不⽤参考任何帧，但是之后的P帧和B帧是有可能参考这个I帧之 前的帧的。IDR就不允许这样。⽐如（解码的顺序）：
代码语言：javascript复制IDR1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 I10 B8 B9 P13 B11 B12 P16 B14 B15
这⾥的B8可以跨过I10去参考P7(解码的时候哈)
原始图像：IDR1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 I10
IDR1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 IDR8 P11 B9 B10 P14 B11 B12
这⾥的B9就只能参照IDR8和P11，不可以 参考IDR8前⾯的帧
其核⼼作⽤是，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。
下⾯是⼀个H264码流的举例（从码流的帧分析可以看出来B帧不能被当做参考帧，它的延迟比较大）：
五、NALU(Network Abstract Layer Unit)介绍：
- SPS：序列参数集，SPS中保存了一组编码视频序列(Coded video sequence)的全局参数。
- PPS:图像参数集，对应的是一个序列中某一副图像或者某几副图像的参数。
- I帧：帧内编码，可独立解码生成完整的图片
- P帧：前向预测编码帧，需要参考其前⾯的⼀个I 或者B 来⽣成⼀张完整的图⽚。
- B帧: 双向预测内插编码帧，则要参考其前⼀个I或者P帧及其后⾯的⼀个P帧来⽣成⼀张完整的 图⽚。
注意：发I帧之前，⾄少要发⼀次SPS和PPS。
下面我们开始介绍NALU结构:
H.264原始码流(裸流)是由⼀个接⼀个NALU组成，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。
在VCL进⾏数据传输或存储之前，这些编码的VCL数据，被映射或封装进NAL单元。下面是一个NALU的组成：
代码语言：javascript复制⼀个NALU = ⼀组对应于视频编码的NALU头部信息
⼀个原始字节序列负荷(RBSP,
Raw Byte Sequence Payload).
NALU结构单元的主体结构如下所示；⼀个原始的H.264 NALU单元通常由[StartCode] [NALU Header] [NALU Payload]三部分组成，其中 Start Code ⽤于标示这是⼀个NALU 单元的开 始，必须是"00 00 00 01" 或"00 00 01"，除此之外基本相当于⼀个NAL header RBSP：
注意：对于FFmpeg解复⽤后，MP4⽂件读取出来的packet是不带startcode，但TS⽂件读取出来 的packet带了startcode。
六、解析NALU:
每个NAL单元是⼀个⼀定语法元素的可变⻓字节字符串，包括包含⼀个字节的头信息（⽤来表 示数据类型），以及若⼲整数字节的负荷数据。NALU头信息（⼀个字节）：
- T为负荷数据类型，占5bit; nal_unit_type：这个NALU单元的类型,1～12由H.264使⽤，24～31由H.264以外的应⽤
- R为重要性指示位，占2个bit;nal_ref_idc.：取00~11,似乎指示这个NALU的重要性,如00的NALU解码器可以丢弃它⽽不 影响图像的回放,0～3，取值越⼤，表示当前NAL越重要，需要优先受到保护。如果当前 NAL是属于参考帧的⽚，或是序列参数集，或是图像参数集这些重要的单位时，本句法元 素必需⼤于0。
- 最后的F为禁⽌位，占1bit；forbidden_zero_bit：在 H.264 规范中规定了这⼀位必须为 0。
H.264标准指出，当数据流是储存在介质上时，在每个NALU 前添加起始码：0x000001 或 0x00000001，⽤来指示⼀个NALU 的起始和终⽌位置：
- 在这样的机制下，在码流中检测起始码，作为⼀个NALU得起始标识，当检测到下⼀个起始 码时，当前NALU结束。
- 3字节的0x000001只有⼀种场合下使⽤，就是⼀个完整的帧被编为多个slice（⽚）的时 候，包含这些slice的NALU 使⽤3字节起始码。其余场合都是4字节0x00000001的。
比如说：
代码语言：javascript复制0x00 00 00 01 67 …
0x00 00 00 01 68 …
0x00 00 00 01 65 …
67：
⼆进制：0110 0111
00111 = 7（⼗进制）
下面是nal_unit_type的组成：
nal_unit_type | NAL 单元和 RBSP 语法结构的内容 |
|---|---|
0 | 未指定 |
1 | ⼀个⾮IDR图像的编码条带 slice_layer_without_partitioning_rbsp ( ) |
2 | 编码条带数据分割块A slice_data_partition_a_layer_rbsp( ) |
3 | 编码条带数据分割块B slice_data_partition_b_layer_rbsp( ) |
4 | 编码条带数据分割块C slice_data_partition_c_layer_rbsp( ) |
5 | IDR图像的编码条带(⽚) slice_layer_without_partitioning_rbsp ( ) |
6 | 辅助增强信息 (SEI) sei_rbsp( ) |
7 | 序列参数集 seq_parameter_set_rbsp( ) |
8 | 图像参数集 pic_parameter_set_rbsp( ) |
9 | 访问单元分隔符 access_unit_delimiter_rbsp( ) |
|---|---|
10 | 序列结尾 end_of_seq_rbsp( ) |
11 | 流结尾 end_of_stream_rbsp( ) |
12 | 填充数据 filler_data_rbsp( ) |
13 | 序列参数集扩展seq_parameter_set_extension_rbsp( ) |
14...18 | 保留 |
19 | 未分割的辅助编码图像的编码条带 slice_layer_without_partitioning_rbsp ( ) |
20...23 | 保留 |
24...31 | 未指定 |
七、H264 annexb模式：
H264有两种封装：
- ⼀种是annexb模式，传统模式，有startcode，SPS和PPS是在ES中。
- ⼀种是mp4模式，⼀般mp4 mkv都是mp4模式，没有startcode，SPS和PPS以及其它信息 被封装在container中，每⼀个frame前⾯4个字节是这个frame的⻓度。
很多解码器只⽀持annexb这种模式，因此需要将mp4做转换：在ffmpeg中⽤ h264_mp4toannexb_filter可以做转换 实现如下：
代码语言：javascript复制 const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
// 2 初始化过滤器上下⽂
av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
// 3 添加解码器属性
avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->cod ecpar);
av_bsf_init(bsf_ctx);
下面是一个实际工程demo:
代码语言：javascript复制#include <stdio.h>
#include <libavutil/log.h>
#include <libavformat/avio.h>
#include <libavformat/avformat.h>
#define ADTS_HEADER_LEN 7;
const int sampling_frequencies[] = {
96000, // 0x0
88200, // 0x1
64000, // 0x2
48000, // 0x3
44100, // 0x4
32000, // 0x5
24000, // 0x6
22050, // 0x7
16000, // 0x8
12000, // 0x9
11025, // 0xa
8000 // 0xb
// 0xc d e f是保留的
};
int adts_header(char * const p_adts_header, const int data_length,
const int profile, const int samplerate,
const int channels)
{
int sampling_frequency_index = 3; // 默认使用48000hz
int adtsLen = data_length 7;
int frequencies_size = sizeof(sampling_frequencies) / sizeof(sampling_frequencies[0]);
int i = 0;
for(i = 0; i < frequencies_size; i )
{
if(sampling_frequencies[i] == samplerate)
{
sampling_frequency_index = i;
break;
}
}
if(i >= frequencies_size)
{
printf("unsupport samplerate:%dn", samplerate);
return -1;
}
p_adts_header[0] = 0xff; //syncword:0xfff 高8bits
p_adts_header[1] = 0xf0; //syncword:0xfff 低4bits
p_adts_header[1] |= (0 << 3); //MPEG Version:0 for MPEG-4,1 for MPEG-2 1bit
p_adts_header[1] |= (0 << 1); //Layer:0 2bits
p_adts_header[1] |= 1; //protection absent:1 1bit
p_adts_header[2] = (profile)<<6; //profile:profile 2bits
p_adts_header[2] |= (sampling_frequency_index & 0x0f)<<2; //sampling frequency index:sampling_frequency_index 4bits
p_adts_header[2] |= (0 << 1); //private bit:0 1bit
p_adts_header[2] |= (channels & 0x04)>>2; //channel configuration:channels 高1bit
p_adts_header[3] = (channels & 0x03)<<6; //channel configuration:channels 低2bits
p_adts_header[3] |= (0 << 5); //original：0 1bit
p_adts_header[3] |= (0 << 4); //home：0 1bit
p_adts_header[3] |= (0 << 3); //copyright id bit：0 1bit
p_adts_header[3] |= (0 << 2); //copyright id start：0 1bit
p_adts_header[3] |= ((adtsLen & 0x1800) >> 11); //frame length：value 高2bits
p_adts_header[4] = (uint8_t)((adtsLen & 0x7f8) >> 3); //frame length:value 中间8bits
p_adts_header[5] = (uint8_t)((adtsLen & 0x7) << 5); //frame length:value 低3bits
p_adts_header[5] |= 0x1f; //buffer fullness:0x7ff 高5bits
p_adts_header[6] = 0xfc; //11111100 //buffer fullness:0x7ff 低6bits
// number_of_raw_data_blocks_in_frame：
// 表示ADTS帧中有number_of_raw_data_blocks_in_frame 1个AAC原始帧。
return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret = -1;
char errors[1024];
char *in_filename = NULL;
char *aac_filename = NULL;
FILE *aac_fd = NULL;
int audio_index = -1;
int len = 0;
AVFormatContext *ifmt_ctx = NULL;
AVPacket pkt;
// 设置打印级别
av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
if(argc < 3)
{
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "the count of parameters should be more than three!n");
return -1;
}
in_filename = argv[1]; // 输入文件
aac_filename = argv[2]; // 输出文件
if(in_filename == NULL || aac_filename == NULL)
{
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "src or dts file is null, plz check them!n");
return -1;
}
aac_fd = fopen(aac_filename, "wb");
if (!aac_fd)
{
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not open destination file %sn", aac_filename);
return -1;
}
// 打开输入文件
if((ret = avformat_open_input(&ifmt_ctx, in_filename, NULL, NULL)) < 0)
{
av_strerror(ret, errors, 1024);
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not open source file: %s, %d(%s)n",
in_filename,
ret,
errors);
return -1;
}
// 获取解码器信息
if((ret = avformat_find_stream_info(ifmt_ctx, NULL)) < 0)
{
av_strerror(ret, errors, 1024);
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "failed to find stream information: %s, %d(%s)n",
in_filename,
ret,
errors);
return -1;
}
// dump媒体信息
av_dump_format(ifmt_ctx, 0, in_filename, 0);
// 初始化packet
av_init_packet(&pkt);
// 查找audio对应的steam index
audio_index = av_find_best_stream(ifmt_ctx, AVMEDIA_TYPE_AUDIO, -1, -1, NULL, 0);
if(audio_index < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not find %s stream in input file %sn",
av_get_media_type_string(AVMEDIA_TYPE_AUDIO),
in_filename);
return AVERROR(EINVAL);
}
// 打印AAC级别
printf("audio profile:%d, FF_PROFILE_AAC_LOW:%dn",
ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->profile,
FF_PROFILE_AAC_LOW);
if(ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_AAC)
{
printf("the media file no contain AAC stream, it's codec_id is %dn",
ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->codec_id);
goto failed;
}
// 读取媒体文件，并把aac数据帧写入到本地文件
while(av_read_frame(ifmt_ctx, &pkt) >=0 )
{
if(pkt.stream_index == audio_index)
{
char adts_header_buf[7] = {0};
adts_header(adts_header_buf, pkt.size,
ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->profile,
ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->sample_rate,
ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->channels);
fwrite(adts_header_buf, 1, 7, aac_fd); // 写adts header , ts流不适用，ts流分离出来的packet带了adts header
len = fwrite( pkt.data, 1, pkt.size, aac_fd); // 写adts data
if(len != pkt.size)
{
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "warning, length of writed data isn't equal pkt.size(%d, %d)n",
len,
pkt.size);
}
}
av_packet_unref(&pkt);
}
failed:
// 关闭输入文件
if(ifmt_ctx)
{
avformat_close_input(&ifmt_ctx);
}
if(aac_fd)
{
fclose(aac_fd);
}
return 0;
}
我们把mp4格式来转换输出h264格式，看看结果：
八、总结：
好了，今天的总结就分享到这里了，我是txp,我们下期见!
