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H264的帧内编码和帧间编码

news 2025/7/15 16:29:34

一、帧内编码

1.1、帧内编码的基本类型

H.264 支持多种帧内预测模式，主要分为三类：
1. 亮度块预测（Luma Prediction）
4x4 预测：支持 9 种方向模式（垂直、水平、对角线等）+ DC 模式 + 平面模式。
16x16 预测：支持 4 种模式（垂直、水平、DC、平面）。
8x8 预测：仅用于 High Profile，支持 9 种模式（与 4x4 类似）。
2. 色度块预测（Chroma Prediction）
对 Cb/Cr 分量，支持 4 种模式：垂直、水平、DC、平面。
3. PCM 模式
直接存储原始像素值，不进行预测（用于无法有效压缩的区域）。

1.2、I 帧的帧内压缩处理

I 帧完全依赖帧内压缩，是随机访问的关键帧。处理流程：
宏块划分：将 I 帧分割为 16x16 的宏块。
预测模式选择：
I_16x16 宏块：对整个宏块使用一种预测模式（如 DC、垂直）。
I_4x4 宏块：每个 4x4 子块独立选择预测模式（适合细节区域）。
I_PCM 宏块：直接存储像素值（无损，但开销大）。
残差计算：原始像素与预测值的差值。
变换与量化：对残差应用 DCT 变换并量化。
熵编码：使用 CAVLC 或 CABAC 编码预测模式和量化后的残差。
示例：平坦区域用 DC 预测，边缘区域用方向预测（如垂直 / 水平）。

1.3、P 帧的帧内压缩处理

P 帧以帧间预测为主，但部分区域（如预测误差大的区域）使用帧内压缩：
帧间预测优先：通过运动估计找到参考帧中的匹配块。
帧内预测备选：
若运动补偿误差超过阈值，切换到帧内模式。
支持 I_4x4、I_16x16 和 I_PCM 模式，但选择范围通常少于 I 帧。
混合编码：同一 P 帧中，部分宏块用帧间预测，部分用帧内预测。
示例：新出现的物体（参考帧中不存在）使用帧内编码。

1.4、B 帧的帧内压缩处理

B 帧依赖双向帧间预测，但也支持帧内模式作为补充：
双向预测优先：结合前向和后向参考帧进行预测。
帧内预测备选：
对双向预测失败的区域（如快速运动或遮挡），使用帧内模式。
支持的帧内模式与 P 帧类似（如 I_4x4、I_16x16）。
高效编码：B 帧的帧内编码占比通常低于 P 帧，因其双向预测能力更强。
示例：两帧之间突然出现的物体，无法通过双向预测覆盖，需用帧内编码。

1.5、三种帧的帧内压缩对比

特性	I 帧	P 帧	B 帧
主要依赖	仅帧内压缩	帧间压缩为主，帧内为辅	双向帧间压缩为主，帧内为辅
预测模式	全模式支持（I_4x4、I_16x16）	简化模式（I_4x4、I_16x16）	简化模式（I_4x4、I_16x16）
压缩率	最低（无帧间依赖）	中等	最高
随机访问支持	支持（关键帧）	依赖前面的 I/P 帧	依赖前后的 I/P 帧
典型占比	约 10-15%（视频总码率）	约 30-40%	约 20-30%

1.6、总结

I 帧：通过丰富的帧内模式提供独立解码能力，但压缩效率最低。
P 帧：智能混合帧内 / 帧间模式，平衡了压缩率和错误恢复能力。
B 帧：双向预测大幅减少冗余，仅在必要时使用帧内模式，压缩效率最高。
这种分层策略使 H.264 在不同场景下都能实现高效编码，广泛应用于视频会议、流媒体和存储等领域。

二、H264的帧间编码方式

H.264 的帧间编码（Inter Coding）通过分析视频帧之间的时间冗余来大幅降低码率，是实现高压缩比的核心技术。其核心机制包括运动估计与补偿、参考帧管理和多预测方向等，下面详细解析：

2.1、帧间编码的基本原理

帧间编码的核心思想是：只编码当前帧与参考帧的差异（运动信息 + 残差），而非完整像素。具体步骤：
运动估计（Motion Estimation）：在参考帧中寻找与当前块最匹配的区域，计算运动矢量（MV）。
运动补偿（Motion Compensation）：根据运动矢量从参考帧中提取预测块。
残差计算：当前块像素值与预测块的差值。
残差编码：对残差进行变换（如 DCT）、量化和熵编码。

2.2、关键技术点

1. 运动估计与补偿
宏块划分：将当前帧划分为 16x16 的宏块，每个宏块可进一步划分为更小的子块（如 8x8、4x4）。
搜索范围：编码器在参考帧中以当前块为中心的一定区域内搜索最佳匹配（典型范围 ±16~±64 像素）。
亚像素精度：支持 1/4 像素或 1/8 像素精度的运动矢量，通过插值提高匹配准确性。
多参考帧：H.264 允许使用多个参考帧（最多 16 个），选择最优参考帧以减少预测误差。
示例：P 帧中的一个宏块通过运动矢量指向前面 I 帧中的一个区域，仅编码两者差异。

2. 参考帧管理
参考帧列表：维护两个参考帧列表（List0 和 List1），分别用于前向和后向预测。
重排序机制：根据场景变化动态调整参考帧顺序，优先使用相关性高的帧。
长时参考帧（LTR）：可将特定帧标记为长时参考，用于长时间运动的场景（如摄像机平移）。

3. 多预测方向
P 帧：仅支持前向预测（依赖前面的 I/P 帧）。
B 帧：支持双向预测（同时依赖前面和后面的参考帧），进一步提高压缩率。
加权预测：对 B 帧的双向预测结果进行加权融合（如 0.5× 前向 + 0.5× 后向）。

4. 块划分灵活性
H.264 支持多种块尺寸的运动补偿：
16x16：适合大面积平滑运动。
16x8/8x16：适合垂直或水平方向的运动。
8x8：适合复杂运动，可进一步划分为 4x4 子块。
8x4/4x8/4x4：精细划分，用于快速运动或细节区域。

5. 残差编码优化
整数变换：使用 4x4 整数 DCT 变换替代浮点变换，降低计算复杂度。
量化参数（QP）：动态调整量化步长，平衡码率与画质。
熵编码：支持 CAVLC（简单）和 CABAC（高效）两种熵编码方式。

2.3、对 IPB 帧的处理差异

帧类型	参考帧依赖	预测方向	支持的块划分	典型应用场景
I 帧	不依赖参考帧	仅帧内预测	4x4、8x8、16x16	关键帧、场景切换点
P 帧	前面的 I/P 帧	前向预测	16x16、16x8、8x16、8x8	运动物体的连续帧
B 帧	前面和后面的 I/P 帧	双向预测	同 P 帧 + 加权预测	静态背景中的运动物体