【轉】 H.264編碼原理以及I幀B幀P幀
轉自：http://www.cnblogs.com/herenzhiming/articles/5106178.html
前言
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H264是新一代的編碼標準，以高壓縮高質量和支持多種網絡的流媒體傳輸著稱，在編碼方面，我理解的他的理論依據是：參照一段時間內圖像的統計結果表明，在相鄰幾幅圖像畫面中， 一般有差別的像素只有10%以內的點,亮度差值變化不超過2%，而色度差值的變化只有1%以內。所以對於一段變化不大圖像畫面，我們可以先編碼出一個完整 的圖像幀A，隨後的B幀就不編碼全部圖像，只寫入與A幀的差別，這樣B幀的大小就只有完整幀的1/10或更小！B幀之後的C幀如果變化不大，我們可以繼續 以參考B的方式編碼C幀，這樣循環下去。這段圖像我們稱為一個序列（序列就是有相同特點的一段數據），當某個圖像與之前的圖像變化很大，無法參考前面的幀 來生成，那我們就結束上一個序列，開始下一段序列，也就是對這個圖像生成一個完整幀A1，隨後的圖像就參考A1生成，只寫入與A1的差別內容。
在H264協議裏定義了三種幀，完整編碼的幀叫I幀，參考之前的I幀生成的只包含差異部分編碼的幀叫P幀，還有一種參考前後的幀編碼的幀叫B幀。
H264采用的核心算法是幀內壓縮和幀間壓縮，幀內壓縮是生成I幀的算法，幀間壓縮是生成B幀和P幀的算法。
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序列的說明
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在H264中圖像以序列為單位進行組織，一個序列是一段圖像編碼後的數據流，以I幀開始，到下一個I幀結束。
一個序列的第一個圖像叫做 IDR 圖像（立即刷新圖像），IDR 圖像都是 I 幀圖像。H.264 引入 IDR 圖像是為了解碼的重同步，當解碼器解碼到 IDR 圖像時，立即將參考幀隊列清空，將已解碼的數據全部輸出或拋棄，重新查找參數集，開始一個新的序列。
一個序列就是一段內容差異不太大的圖像編碼後生成的一串數據流。當運動變化比較少時，一個序列可以很長，因為運動變化少就代表圖像畫面的內容變動很小，所 以就可以編一個I幀，然後一直P幀、B幀了。當運動變化多時，可能一個序列就比較短了，比如就包含一個I幀和3、4個P幀。
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三種幀的說明
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I幀:幀內編碼幀 ，I幀表示關鍵幀，你可以理解為這一幀畫面的完整保留；解碼時只需要本幀數據就可以完成（因為包含完整畫面）
I幀特點:
1.它是一個全幀壓縮編碼幀。它將全幀圖像信息進行JPEG壓縮編碼及傳輸;
2.解碼時僅用I幀的數據就可重構完整圖像;
3.I幀描述了圖像背景和運動主體的詳情;
4.I幀不需要參考其他畫面而生成;
5.I幀是P幀和B幀的參考幀(其質量直接影響到同組中以後各幀的質量);
6.I幀是幀組GOP的基礎幀(第一幀),在一組中只有一個I幀;
7.I幀不需要考慮運動矢量;
8.I幀所占數據的信息量比較大。
P幀:前向預測編碼幀。P幀表示的是這一幀跟之前的一個關鍵幀（或P幀）的差別，解碼時需要用之前緩存的畫面疊加上本幀定義的差別，生成最終畫面。（也就是差別幀，P幀沒有完整畫面數據，只有與前一幀的畫面差別的數據）
P幀的預測與重構:P幀是以I幀為參考幀,在I幀中找出P幀“某點”的預測值和運動矢量,取預測差值和運動矢量一起傳送。在接收端根據運動矢量從I幀中找出P幀“某點”的預測值並與差值相加以得到P幀“某點”樣值,從而可得到完整的P幀。
P幀特點:
1.P幀是I幀後面相隔1~2幀的編碼幀;
2.P幀采用運動補償的方法傳送它與前面的I或P幀的差值及運動矢量(預測誤差);
3.解碼時必須將I幀中的預測值與預測誤差求和後才能重構完整的P幀圖像;
4.P幀屬於前向預測的幀間編碼。它只參考前面最靠近它的I幀或P幀;
5.P幀可以是其後面P幀的參考幀,也可以是其前後的B幀的參考幀;
6.由於P幀是參考幀,它可能造成解碼錯誤的擴散;
7.由於是差值傳送,P幀的壓縮比較高。
B幀:雙向預測內插編碼幀。B幀是雙向差別幀，也就是B幀記錄的是本幀與前後幀的差別（具體比較復雜，有4種情況，但我這樣說簡單些），換言之，要解碼B 幀，不僅要取得之前的緩存畫面，還要解碼之後的畫面，通過前後畫面的與本幀數據的疊加取得最終的畫面。B幀壓縮率高，但是解碼時CPU會比較累。
B幀的預測與重構
B幀以前面的I或P幀和後面的P幀為參考幀,“找出”B幀“某點”的預測值和兩個運動矢量,並取預測差值和運動矢量傳送。接收端根據運動矢量在兩個參考幀中“找出(算出)”預測值並與差值求和,得到B幀“某點”樣值,從而可得到完整的B幀。
B幀特點
1.B幀是由前面的I或P幀和後面的P幀來進行預測的;
2.B幀傳送的是它與前面的I或P幀和後面的P幀之間的預測誤差及運動矢量;
3.B幀是雙向預測編碼幀;
4.B幀壓縮比最高,因為它只反映丙參考幀間運動主體的變化情況,預測比較準確;
5.B幀不是參考幀,不會造成解碼錯誤的擴散。
註:I、B、P各幀是根據壓縮算法的需要，是人為定義的,它們都是實實在在的物理幀。一般來說，I幀的壓縮率是7（跟JPG差不多），P幀是20，B幀可 以達到50。可見使用B幀能節省大量空間，節省出來的空間可以用來保存多一些I幀，這樣在相同碼率下，可以提供更好的畫質。
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壓縮算法的說明
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h264的壓縮方法:
1.分組:把幾幀圖像分為一組(GOP，也就是一個序列),為防止運動變化,幀數不宜取多。
2.定義幀:將每組內各幀圖像定義為三種類型,即I幀、B幀和P幀;
3.預測幀:以I幀做為基礎幀,以I幀預測P幀,再由I幀和P幀預測B幀;
4.數據傳輸:最後將I幀數據與預測的差值信息進行存儲和傳輸。
幀內（Intraframe）壓縮也稱為空間壓縮（Spatial compression）。當壓縮一幀圖像時，僅考慮本幀的數據而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實際上與靜態圖像壓縮類似。幀內一般采用有損壓縮算法，由於幀內壓縮是編碼一個完整的圖像，所以可以獨立的解碼、顯示。幀內壓縮一般達不到很高的壓縮，跟編碼jpeg差不多。
幀間（Interframe）壓縮的原理是：相鄰幾幀的數據有很大的相關性，或者說前後兩幀信息變化很小的特點。也即連續的視頻其相鄰幀之間具有冗余信 息,根據這一特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱為時間壓縮（Temporal compression），它通過比較時間軸上不同幀之間的數據進行壓縮。幀間壓縮一般是無損的。幀差值（Frame differencing）算法是一種典型的時間壓縮法，它通過比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減少數據量。
順便說下有損（Lossy ）壓縮和無損（Lossy less）壓縮。無損壓縮也即壓縮前和解壓縮後的數據完全一致。多數的無損壓縮都采用RLE行程編碼算法。有損壓縮意味著解壓縮後的數據與壓縮前的數據不 一致。在壓縮的過程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息,而且丟失的信息不可恢復。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮,這樣才能達到低數據 率的目標。丟失的數據率與壓縮比有關,壓縮比越小，丟失的數據越多,解壓縮後的效果一般越差。此外,某些有損壓縮算法采用多次重復壓縮的方式,這樣還會引 起額外的數據丟失。
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