H.264码流结构及QP值提取

H.264码流结构

• 由多个NALU组成
• NALU NAL：Network Abstraction Layer，网络抽象层面 NAL unit是NAL的基本语法结构，它包含一个字节的头信息（NAL header）和一系列来自VCL的原始数据字节流（RBSP）。 一个原始的H.264 NALU 开头必须是"00 00 00 01" 或"00 00 01"
• NALU header 为一个字节 由三部分组成forbidden_bit(1bit)H264定义此位必须是零，nal_reference_bit(2bits)（优先级，3最高），nal_unit_type(5bits)（类型）。 forbidden_bit：禁止位 nal_reference_bit：当前NAL的优先级，值越大，该NAL越重要 nal_unit_type ：NAL类型 Start Code Prefix为3个字节. 但是，为了寻址方便，要求数据流在长度上对齐，因此H.264建议在Start Code Prefix前面加若干个0.
• RBSP RBSP： Raw Byte Sequence Payload，原始字节序列载荷 由SODB和RBSP trailing bits构成的
• SODB SODB：String Of Data Bits （原始数据比特流, 长度不一定是8的倍数，故需要补齐）
• RBSP trailing bits syntax H.264码流的RBSP级别，是由SODB和RBSP trailing bits构成的 由于编码后的数据要精确到位（bit）组装起来，而码流又是以字节为单位的，这样就需要补齐到字节。
• 逻辑关系： SODB + RBSP trailing bits = RBSP NAL header(1 byte) + RBSP = NALU Start Code Prefix(3 bytes) + NALU + Start Code Prefix(3 bytes) + NALU + ...+ = H.264BitsStream

NALU类型

• SEI NALU type=6 SEI：Supplemental Enhancement Information，补充增强信息 属于码流范畴，它提供了向视频码流中加入额外信息的方法，是H.264/H.265这些视频压缩标准的特性之一
• SPS SPS：Sequence Parameter Set，序列参数集 NAL uint_type=7 包括了一个图像序列的所有信息（包含的是针对一连续编码视频序列的参数，如标识符seq_parameter_set_id、帧数及POC的约束、参考帧数目、解码图像尺寸和帧场编码模式选择标识等）
• PPS PPS：Picture Parameter Set，图像参数集 NAL uint_type=8 包括了一个图像所有片的信息（对应的是一个序列中某一副图像或者某几幅图像，参数如标识符pic_parameter_set_id、可选的seq_parameter_set_id、熵编码模式选择标识、片组数目、初始量化参数和去方块滤波系数调整标识等）
• SLICE 片 NAL uint_type=1-5 一帧视频图像可编码成一个或者多个片，每片包含整数个宏块，即每片至少一个宏块，最多时包含整个图像的宏块
• 宏块 宏块大小通常是：16*16像素 一个宏块 = 一个16*16的亮度像素 + 一个8×8Cb + 一个8×8Cr彩色像素块组成。
• 其他NALU type
  

  NALU type

量化参数（QP：quant param）

在H.264中，量化参数分3个级别给出：图像参数集（pps）、片头（slice_header）、宏块（mb）。

参数使用指数哥伦布码方式保存

1、图像参数集

pps.pic_init_qp_minus26：初始值，取值范围是-26, + 25

图像参数集

上图信息由Elecard StreamEye Tools的EsEye工具读取H264裸码流生成

2、片头

slice_header.slice_qp_delta：当前片所有宏块的量化参数初始值QPy

    SliceQPy = 26 + pic_init_qp_minus26 + slice_qp_delta，取值范围是0, 51

片头

3、宏块

• mb.mb_qp_delta：宏块量化参数偏移值， 取值范围是-26, + 25，指示的偏移是前后两个宏块之间的偏移
• 片中第一个宏块的QP = 26 + pic_init_qp_minus26 + slice_qp_delta
• 后续宏块的QP = (QPprev + mb_qp_delta + 52) % 52
  

  宏块

4、一帧图像的统计

• 图像的最大最小qp值
  

  图像的最大最小qp值

Exp-Golomb指数哥伦布码

指数哥伦布码(Exponential-Golomb)属于熵编码，属于无损编码

H.264中使用的是0阶指数哥伦布编码，编码方式如下：

以待编码码号code_num = 3为例：

第一步：将code_num +1, 即3+1 = 4

第二步：将4写为二进制的形式：100

第三步：计算100的比特个数为3，在100前面写（3-1）个0，得到编码码字：00100

0阶指数哥伦布码如下所示：

0 => 1 => 1 1 => 10 => 010 2 => 11 => 011 3 => 100 => 00100 4 => 101 => 00101 5 => 110 => 00110 6 => 111 => 00111 7 => 1000 => 0001000 8 => 1001 => 0001001

参考资料

• 软件：Elecard StreamEye Tools，解析H.264码流使用
• 新一代视频压缩码标准-H.264_AVC(第二版).毕厚杰，王健编著
• 从零了解H264结构
• 指数哥伦布码