图像和流媒体 -- I 帧,B帧,P帧,IDR帧的区别

上一篇 / 下一篇  2020-06-23 14:45:39 / 个人分类:Codec

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参看:什么是I帧,P帧,B帧
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参看:H264编码原理以及I帧B帧P帧
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一、H246简介
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    H264是新一代的编码标准,以高压缩高质量和支持多种网络的流媒体传输著称,在编码方面,我理解的他的理论依据是:参照一段时间内图像的统计结果表明,在相邻几幅图像画面中,一般有差别的像素只有10%以内的点,亮度差值变化不超过2%,而色度差值的变化只有1%以内。所以对于一段变化不大图像画面,我们可以先编码出一个完整的图像帧A,随后的B帧就不编码全部图像,只写入与A帧的差别,这样B帧的大小就只有完整帧的1/10或更小!B帧之后的C帧如果变化不大,我们可以继续以参考B的方式编码C帧,这样循环下去。这段图像我们称为一个序列(序列就是有相同特点的一段数据),当某个图像与之前的图像变化很大,无法参考前面的帧来生成,那我们就结束上一个序列,开始下一段序列,也就是对这个图像生成一个完整帧A1,随后的图像就参考A1生成,只写入与A1的差别内容。
    在H264协议里定义了三种帧,完整编码的帧叫 I 帧,参考之前的 I 帧生成的只包含差异部分编码的帧叫 P 帧,还有一种参考前后的帧编码的帧叫 B 帧。
    H264采用的核心算法是帧内压缩和帧间压缩,帧内压缩是生成 I 帧的算法,帧间压缩是生成 B 帧和 P 帧的算法。

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二、序列的说明
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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,以 I 帧开始,到下一个 I 帧结束。
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。
三、3 种帧的说明

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(1)I帧

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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)
I 帧特点:
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(第一帧),在一组中只有一个 I 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。
(2)P帧 

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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。
P 帧特点:
1)P 帧是 I 帧后面相隔 1~2 帧的编码帧;
2)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);
3)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;
4)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;
5)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;
6)由于 P 帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;
7)由于是差值传送,P 帧的压缩比较高。
(3)B帧
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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。
B 帧特点
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,因为它只反映丙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: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。可见使用 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。
下面举例说明:

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在如上图中,GOP (Group of Pictures) 长度为 13,S0~S7 表示 8 个视点,T0~T12 为 GOP 的 13 个时刻。每个 GOP 包含帧数为视点数 GOP 长度的乘积。在该图中一个 GOP 中,包含 94 个 B 帧。B 帧占一个 GOP 总帧数的 90.38%。GOP 越长,B 帧所占比例更高,编码的率失真性能越高。下图测试序列 Race1 在不同 GOP 下的率失真性能对比。

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四、压缩算法的说明
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h264的压缩方法:
(1)分组:把几帧图像分为一组(GOP,也就是一个序列),为防止运动变化,帧数不宜取多。
(2)定义帧:将每组内各帧图像定义为三种类型,即 I 帧、B 帧和 P 帧;
(3)预测帧:以I帧做为基础帧,以 I 帧预测 P 帧,再由 I 帧和 P 帧预测 B 帧;
(4)数据传输:最后将 I 帧数据与预测的差值信息进行存储和传输。
    帧内(Intraframe)压缩也称为空间压缩(Spatial compression)。当压缩一帧图像时,仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息,这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法,由于帧内压缩是编码一个完整的图像,所以可以独立的解码、显示。帧内压缩一般达不到很高的压缩,跟编码 jpeg 差不多。  
    帧间(Interframe)压缩的原理是:相邻几帧的数据有很大的相关性,或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性,压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量,减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩(Temporal compression),它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值(Frame. differencing)算法是一种典型的时间压缩法,它通过比较本帧与相邻帧之间的差异,仅记录本帧与其相邻帧的差值,这样可以大大减少数据量。
       顺便说下有损(Lossy )压缩和无损(Lossy less)压缩。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都采用RLE行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息,而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩,这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关,压缩比越小,丢失的数据越多,解压缩后的效果一般越差。此外,某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式,这样还会引起额外的数据丢失。
五、I 帧与 IDR 帧的区别

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IDR(Instantaneous Decoding Refresh)--即时解码刷新。
    I 和 IDR 帧都是使用帧内预测的。它们都是同一个东西而已,在编码和解码中为了方便,要首个 I 帧和其他 I 帧区别开,所以才把第一个首个 I 帧叫 IDR,这样就方便控制编码和解码流程。IDR 帧的作用是立刻刷新,使错误不致传播,从IDR帧开始,重新算一个新的序列开始编码。而 I 帧不具有随机访问的能力,这个功能是由 IDR 承担。IDR 会导致DPB(参考帧列表——这是关键所在)清空,而 I 不会。IDR 图像一定是 I 图像,但I图像不一定是 IDR 图像。一个序列中可以有很多的I图像,I 图像之后的图像可以引用 I 图像之间的图像做运动参考。一个序列中可以有很多的 I 图像,I 图像之后的图象可以引用I图像之间的图像做运动参考。
    对于 IDR 帧来说,在 IDR 帧之后的所有帧都不能引用任何 IDR 帧之前的帧的内容,与此相反,对于普通的 I 帧来说,位于其之后的 B- 和 P- 帧可以引用位于普通 I- 帧之前的 I- 帧。从随机存取的视频流中,播放器永远可以从一个 IDR 帧播放,因为在它之后没有任何帧引用之前的帧。但是,不能在一个没有 IDR 帧的视频中从任意点开始播放,因为后面的帧总是会引用前面的帧。
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举个例子,在一段视频中,存在以下帧:I P B P B P B B P I P B…
如果这段视频应用了多重参照帧,那么蓝色的 P 帧在参照他前面的 I 帧(红色)的同时,还可能会参照 I 帧之前的 P (绿色),由于 I 帧前后的场景可能会有很大的反差甚至根本不同,所以此时 P 帧参考I帧之前的帧不但会没有意义,反而会造成很多问题。所以一种新型的帧被引入,那就是 IDR 帧。如果这段视频应用了多重参考帧的同时采用了 IDR 帧,那么帧的顺序就会变成这样:I P B P B P B B P IDR P B…
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由于 IDR 帧禁止后面的帧向自己前面的帧参照,所以这回那个蓝色的 P 帧就不会参照绿色的 P 帧了。
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六、获取 I 帧
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使用 ffmpeg 获取 I 帧
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参看:wiki -- ffmpeg
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参看:[FFmpeg] ffmpeg 常用命令

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指令为:ffmpeg -i wkll.mp4 -ss 00:00:00 -t 1 -r 1 -q:v 2 -f image2 pic-%03d.jpeg
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参考:https://blog.csdn.net/qq_29350001/java/article/details/73770702

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